Integrantes: Jhojan Santiago Sanchez Moreno Diego Morales Morales Kevin Stiven Márquez. Asignatura: electrónica análoga II Amplificadores clase C Los amplificadores clase C son amplificadores sintonizados, es decir, operan en un rango definido, generalmente estrecho de frecuencias. Lo anterior implica que se necesitan circuitos resonantes en la carga, lo que se traduce en un circuito LC que funciona como resonador eléctrico, los cuales funcionan bajo una frecuencia de resonancia (valor de frecuencia predeterminado) que hace que las admitancias o impedancias se cancelen entre si llegando a valores nulos, lo que genera en gran variedad casos experimentar corrientes y voltajes superiores a las fuentes de alimentación de sus correspondientes circuitos. En este tipo de amplificadores no se busca fidelidad en la señal o que se opere en el 100 % de la seña de entrada, el objetivo es que el amplificador opere en un máximo rendimiento en un rango de frecuencias determinado, por tal motivo no se usa para la amplificación de sonido debido a su distorsión pero si resulta muy útil en aplicaciones relacionadas a las telecomunicaciones. Frecuencia de resonancia. En este tipo de amplificadores requiere de un solo transistor, donde su respectiva corriente de colector funciona durante menos de un semiciclo de la señal, dado que en el colector del transistor se posiciona un circuito resonante que selecciona los pulsos de corriente de colector en base a las frecuencias adecuadas de operación, permitiendo obtener en la salida una señal de voltaje sinusoidal amplificada y pura. El máximo rendimiento de estos amplificadores es del 100 por ciento. La magnitud máxima de tensión en la salida se obtiene cuando el circuito percibe la frecuencia de resonancia, es decir, el valor pico de la señal de salida ocurre cuando la frecuencia de resonancia se efectúa en la entrada del circuito. La ecuación que permite definir la frecuencia de resonancia es la siguiente: 𝑓𝑟 = 1 2𝜋√𝐿𝐶 (1) Realizando una comparativa entre la ganancia respecto a las diferentes frecuencias que se efectúan en la entrada se presenta el siguiente comportamiento: Es posible notar que en la frecuencia de resonancia el valor es máximo como se explico anteriormente, en el resto de las frecuencias la ganancia disminuye y se observa que el valor de ganancia no es nulo en un rango especifico de frecuencias. La anterior característica lo hace útil para amplificar señales de radio y televisión donde cada emisora y canal funciona en un rango de frecuencias definido. Composición circuital y su funcionamiento. La composición de los amplificadores tipo C es la siguiente: Fig.1. Esquema circuital del amplificador clase C. Se observa que la señal es amplificada con un desfase de 180 grados respecto a la entrada (inversa a la señal de entrada). A pesar de verse que la señal es fiel en cuanto a forma a la entrada, lo cierto es que el amplificador solo opera en un rango muy reducido de la señal, aproximadamente solo un cuarto de la señal es amplificada por medio del transistor, como se observa en la siguiente figura. En amplificadores de tipo A o B ocurría que la señal no conducía o se distorsionaba cuando la señal de entrada no superaba la magnitud del voltaje base emisor de los transistores (0.7 V), en los amplificadores tipo C la barrera a superar es mucho mayor dado que Rb esta conectada directamente como una resistencia pull down, hace que el circuito solo conduzca en los pico o cimas de la señal. La nueva incógnita resultante es como la señal final es relativamente parecida a la señal de entrada. Según Fourier solo es necesario conocer los picos de la señal para recuperar el resto de forma de onda por medio de filtros y circuitos resonantes como el ubicado en el colector del transistor que compone el amplificador. Lo anterior implica que se puede amplificar altas frecuencias sin importar el alto costo de potencia que generan dado que el transistor solo efectúa la señal durante lapsos muy cortos de tiempo. Nótese que además del transistor, que evidentemente amplifica, el circuito resonante que reconstruye el resto de la onda y hace la selección de frecuencias, de la resistencia de base que aumenta el umbral de funcionamiento; existen dos condensadores en el esquema circuital que también tienen funciones dentro del sistema. El condensador en serie con la fuente elimina el off set de la señal de entrada y causa el desplazamiento negativo de la señal lo que hace que la señal de salida posteriormente este 180 grados desfasada respecto a la entrada y el condensador en serie a la carga extrae la componente DC de la señal para obtener en la salida la señal AC que se solicita. Modelo DC y AC del amplificador. Modelo DC del amplificador tipo C Se observa que aparece una resistencia en el colector que no se presentaba anteriormente, la cual se define como la resistencia de autoinducción. Modelo AC del amplificador tipo C. Rectas de carga Nótese que la recta de carga para corriente continua es una línea vertical sobre Vcc dado que la resistencia Rs del modelo DC del amplificador es muy pequeña y la resistencia Rb se conecta directamente a tierra haciendo que el transistor no sea polarizado, por tal motivo la recta de carga en corriente continua no es muy importante para este tipo de amplificadores. Lo realmente importante es la recta de carga en corriente continua donde el punto q esta en la corriente de saturación, lo que implica que el funcionamiento adecuado de estos amplificadores ocurre cuando el transistor esta próximo a la zona de saturación. Eficiencia de los amplificadores Generalmente la eficiencia de estos amplificadores es alrededor del 80 %. Su fórmula es la siguiente: Donde Disipación de potencia en el transistor. 𝑷𝑻 = 𝟐𝑽𝒄𝒄 Lo anterior implica que el transistor debe tener un Vceo superior al doble del voltaje Vcc para la correcta operación del amplificador y para que el transistor soporte la potencia a la que se puede ver expuesto. Aplicaciones Son usados generalmente para la amplificación de canales de televisión, emisoras de audio, generalmente en utilidades relacionadas a las telecomunicaciones y la radio frecuencia. Amplificadores clase D Conocidos también como amplificadores de conmutación dado que sus transistores están constantemente cambiando de estado entre corte y saturación, se caracterizan por amplificar audio con una eficiencia muy superior a los clase AB, debido a que su rendimiento es del 80% al 95%, además el hecho de que sus transistores no operan de forma constante en zona activa su disipación de potencia es muy baja. Funcionamiento, forma de operacion y composición circuital Dado que los amplificadores clase d son bastante complejos un esquema reducido y con propósitos teóricos es el siguiente: La primera parte denominada oscilador triangular, consiste en generar una señal cuadrada modulada por anchura de pulsos por medio de la señal de audio o señal de entrada y un generador de ondas triangular, donde se recomienda que la frecuencia de la señal triangular sea al menos el doble de la máxima frecuencia de la señal de audio para la correcta operación del amplificador. Para la modulación de la anchura de los pulsos se presenta el siguiente diagrama explicativo: Nótese que conforme mayor sea la magnitud de la señal de audio o señal sinusoidal mas ancho es el pulso de la señal cuadrada, es decir, si la señal de audio es mayor en magnitud que la señal triangular se toma como un lógico y si es menor como cero lógico. La señal cuadrada generada se conoce como PWM, la cual será amplificada. Luego la señal pasa al segundo bloque denominado amplificador controlador de puerta que tiene como función conmutar los dos transistores mosfet que están seguidos del bloque, no obstante, NUNCA ambos transistores deben estar en zona de saturación al mismo tiempo, pero si pueden estar en zona de corte al mismo tiempo (se espera que este instante sea lo más breve posible pero sin dejar de ocurrir). Cuando el transistor de arriba entra en saturación la resistencia entre la fuente y el drenaje es muy pequeña lo cual se consigue aplicando una tensión entre la gate y la fuente del transistor muy alta, además de aplicar la tensión VDD observada, evidentemente el otro transistor debe estar en zona de corte, del mismo modo ocurren cuando el transistor de abajo conduce la única diferencia es que la tensión entre la fuente y el drenaje es negativa. Lo anterior genera que al aplicar altas tensiones se amplifique la señal de entrada tanto de forma positiva como negativa por medio de la conmutación de transistores lo que entrega una señal cuadrada amplificada y alterna. En la parte final del esquema circuital correspondiente al amplificador clase D se encuentra un circuito LC que se identifica como un filtro pasa baja, es decir, permite el paso de frecuencias bajas, lo cual es muy importante dado que al señal cuadrada que recientemente se amplifico en realidad se compone de un cierto numero de señales sinusoidales que operan diferentes frecuencias y el filtro pasa baja al atenuar las frecuencias altas deja pasar magnitudes de frecuencia similares a la fundamental, lo que permite obtener en la salida una señal sinusoidal muy similar en forma y amplificada con respecto a la señal de entrada. Nuevamente se recuerda que dentro de cada etapa descrita existen subsistemas que requieren de explicaciones mas complejas y conceptos mas profundos, pero en síntesis lo explicado anteriormente resume de forma concreta el funcionamiento y forma de operación de un amplificador clase D. Aplicaciones Su aplicación principal es el refuerzo de sonido dado que su salida es de alta potencia, se usa para amplificar el sonido de guitarras y bajos, del mismo modo son usados en salas y estudios de grabación de audio o sistemas de audio de conciertos, de hecho, son muy requeridos para la construcción de instrumentos musicales. Otra de sus aplicaciones es para la transmisión de señales a larga distancia. Referencias [1] A. Malvino, D. J. Bates. “principios de electrónica”, 7 edición. 2007. pp 381-406. [2]S. Sanchez Moreno. “Amplificadores de audio calse D, teoría y diseño”. Mundo altavoces [online]. Disponible en: https://mundoaltavoces.com/amplificadores-de-audio-clase-d-teoria-y-diseno/
