Amplificador

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Amplificador

  1. 1. Denny castilloSon los circuitos de salida de varios equipos, que ledan potencia a las señales que amplifican o sirvenpara acoplar cargas de baja impedancia a salidas dealta impedancia.
  2. 2. Los amplificadores de potencia se clasifican de acuerdo a:a)Por clase de funcionamiento (ángulo de conducción)b)Por tipo de acoplamiento entre etapasc)Por rango de frecuencias de funcionamientod)Por ancho de bandae)Por nivel de señal.Por clase de funcionamiento:Clase tipo A: Son aquellos transistores que siempre trabajan en la zona activa, o seaque por su colector circula corriente los 360º del ciclo de la señal. El punto Q sesitúa cerca de la mitad de la recta de carga. De forma que la señal no se corte ni sesature en el transistor a fin de obtener una señal con cero o la mínima distorsiónposible. Con una pobre eficiencia del circuito, menor al 33%.Clase tipo B: En este caso en el transistor, la corriente del colector sólo circula 180ºo sea medio ciclo del ciclo de la señal. El punto Q se sitúa en el corte, entonces sólola mitad positiva del voltaje alterno de la señal en la base, produce corriente en elcolector. Por lo que se necesitan dos transistores en disposición contra-fase ocomplementaria para un buen
  3. 3. funcionamiento. Reduciendo la disipación de potencia de los transistores yaumentando la eficiencia de funcionamiento del circuito al 78.5%. aun que ladistorsión del circuito aumenta un poco.Clase tipo C: Se entiende que es un circuito en el que la corriente de colector, sólocircula menos de 180º del ciclo de la señal. Por lo que generalmente se puede decirque es un amplificador de pulsos. Ya que se usan pulsos cortos de corriente en labase para hacer conducir el colector sólo parte del ciclo de entrada, y usandocircuitos de carga que hacen el efecto de un volante poder recuperar la señal deentrada, disminuyendo grandemente la disipación del transistor y aumentando laeficiencia del circuito a valores que están por encima del 90 %. V C CPor tipos de acoplamiento: RPor condensador: Se usa para aislar la polarización RDC del circuito del circuito siguiente o anterior, Cevitando el cambio del punto Q y por tanto la Cposición de la recta de carga, inestabilisando el Rcircuito, y su respuesta.
  4. 4. Por transformador: Este tipo de circuito se usa con VC C dos propósitos uno para aislar como en el caso T anterior el circuito en DC de sus vecinos y evitar los cambios de polarización, la estabilidad del R punto Q, y a la vez la de acoplar la impedancia de T salida de un circuito a la impedancia de entrada del siguiente circuito. La única desventaja es la limitación del ancho de banda debida a la respuesta del tipo de transformador.Acoplamiento directo:Cuando existe una conexión directa entre el colector V C Cdel primer transistor y la base del segundo transistor,implica que tanto las señales de polarización comolas señales alternas se hallan acopladas. Por tantono hay una frecuencia límite inferior o superior,dando un gran ancho de banda. Este tipo deacoplamiento es ideal, pero va apareciendo unaumento en el nivel DC, a medida que más etapas
  5. 5. Se unen al circuito haciendo necesario usar transistores complementarioso circuitos cambiadores de nivel para compensar estos cambios. A esteúltimo sistema también se lo llama Amplificador de corriente continua.Por rangos de frecuencia de funcionamiento:Amplificadores de Audio: Se los llama así cuando los amplificadoresfuncionan dentro de un rango de frecuencias que van desde los 20 Hzhasta los 20 KHz, o sea en el rango de audición para el oído humanodentro de la gama de la ondas radioeléctricas.Amplificadores de Radiofrecuencia: son todos aquellos amplificadoresque se usan para amplificar señales que van desde los 20 KHz en adelante,como ultrasonidos, BF, IF de AM, AM, CW, HF, FM, TV, UHF, VHF, MW, etc.Por ancho de Banda:Banda estrecha: El ancho de banda cuyo rango de frecuencias de trabajoes bastante pequeño en relación con la frecuencia central defuncionamiento, la mayoría son amplificadores sintonizados, por lo que lacarga en corriente alterna es un circuito resonante con un alto Q. su salidapuede estar acoplada por capacidad o por transformador.
  6. 6. Banda ancha: cuando el ancho de la frecuencia es una fracción grande dela frecuencia central de funcionamiento, como los amplificadores de video,son generalmente amplificadores no sintonizado acoplados directamente ycon cargas resistivas para señales de corriente alterna.Por nivel de señal:Señal pequeña: Se dice de los amplificadores cuya corriente pico a pico enel colector del transistor es menor al 10% de la corriente de colector sinseñal alterna (en reposo). Se usan normalmente para amplificar señalesmuy pequeñas o débiles y llevarlas a niveles medios con muy baja odistorsión nula, sin importar su eficiencia (amplificadores clase A).Señales grandes: Se llaman a los amplificadores cuyos transistoresconducen la corriente de colector pico a pico empleando toda la recta decarga en la excursión de la señal alterna. Estos amplificadores usan señalesmedias y se emplean para excitar los amplificadores de potencia( normalmente vienen impulsados por amplificadores de pequeña señal).Amplificadores de Potencia: Son amplificadores que transforma unos pocosmili-vatios en vatios y hasta en cientos de vatios, Para impulsar grandescargas.
  7. 7. Rectas de carga:Cada amplificador tiene un circuito equivalente para corrientecontinua y otro para corriente alterna, y cada uno tiene su propiarecta de carga, de acuerdo a los parámetros de cada circuito. Poreso se dice que tiene dos rectas de carga.Para el funcionamiento con pequeña señal la posición del punto Qno es crítica. Pero para amplificadores de señal grande, tiene queubicarse en la mitad de la reta de carga de alterna a fin deconseguir la máxima excursión de la señal con la mínima distorsiónposible. +VCCRecta de carga para DC: CEn un amplificador con polarizaciónde mover elDe voltaje en la base, una forma por divisor R1 Cpunto Q es variando el valor de R2. Para RLvalores grandes de R2 el transistor entra en V in R2saturación y su corriente viene dada por: RE C IC(sat) = VCC/(RC+RE)Para valores muy pequeños de R2 llevan el
  8. 8. transistor a la zona de corte y su voltaje será: > Ic R e c ta d e VCE(corte) = VCC V c c /( R c + R e ) c a rg a D CPodemos ver al lado la gráfica de la recta de carga Q*en DC, con el punto Q. V ce >Recta de carga AC: 0 VccVeamos en la figura el circuito equivalente para AC del amplificadorcon divisor de voltaje en la base. Con el emisor a tierra, al estarDesacoplado por el condensador, RE no afectael funcionamiento. Además la resistencia delcolector para corriente alterna es menor que la R1 R2 rcresistencia del colector para continua. Ic R e c t a d e Ic q + V c e q / R c > c a rg a A C Por lo tanto cuando llega una señal deV c e /( R c + R e ) Ic q Q R e c ta d e c a rg a D C alterna, el punto Q de operación instantáneo * V ce < se mueve a lo largo de la recta de carga de corriente alterna. En otras palabras, la V cc V c e q + Ic q R c corriente sinoidal pico a pico y el voltaje V ceq vienen determinados por la recta de carga
  9. 9. Para señal alterna.Ya que la recta de carga de AC tiene una pendiente mayor que la deDC el máximo pico a pico (MPP) de salida es siempre menor que elvoltaje de alimentación MPP< VCC .Ejemplo: Si el voltaje de alimentación es 10 V, la salida sinoidal picoa pico es menor de 10 V.Recorte de señales grandes:Cuando el punto Q está en el centro de la recta de carga para DC, laseñal alterna no puede usar toda su recta de carga sin recortarse,produciendo distorsión en la señal, efecto no deseable.Un amplificador para señales grandes bien diseñado tiene el punto Qen medio de la recta de carga para señal AC, consiguiendo en estecaso la máxima señal de salida pico a pico sin recorte.Salida máxima: cuando el punto Q está por debajo del centro de larecta de carga para AC el pico máximo (MP) de la salida es MP =ICQrC y si el punto Q está por encima del centro de la recta de cargapara la señal AC, el pico máximo de salida es MP = VCEQ.
  10. 10. Para cualquier punto Q el pico máximo de salida es: Ic > Q Ic MP = ICQrC o VCEQ > * Q El que sea menor. Luego el V ce > * V ce > máximo pico a pico de la salida > V ce < > Ic q . r e < será el doble del máximo pico. MPP = 2MP Con esto podemos ver la detección de averías paraDeterminar la salida máxima sin recorte. Cuando el punto Q está enel centro de la recta de carga para la señal alterna ICQrC = VCEQSe diseña para satisfacer esta condición lo máximo posible,considerando la tolerancia de las resistencias de polarización.Ejemplo: +VCC10 VHallar ICQ, VCEQ, rC, y MPP. Del divisor de base 3 ,6 KVb = (10 Vx2,2 K)/(10 K+2,2 K) = 1,8 V 10 KICQ = (Vb–VBE)/RE = (1,8-0,7)/1 K = 1,1 mA 600 V b V e 10 K 2 ,2 KVCEQ = VCC- RCICQ-REICQ = 10-(1,1mAx3,6K) – 1 K(1Kx 1,1mA) = 10-3.96-1.1 = 4.94 V
  11. 11. rC = RC║ RL = (3,6Kx10K)/(3,6K+10K) = 2.65 KICQrC = 1,1mAx2.65K = 2,92 VViendo cual de los dos voltajes es el menor valor entre ICqrC = 2,92 yVCEQ = 4,94 vemos que ICQrC = MP = 2,92 V es el menor.Por tanto el valor de MPP = 2MP = 2x2,92V = 5,84 VPPAmplificadores Clase A:El amplificador con polarización de voltaje por +VCCdivisor de voltaje en la base se usafrecuentemente como amplificador tipo clase A, Cya que la señal de salida no está recortada, y R1en este tipo de amplificador, la corriente de Ccolector circula durante todo el tiempo del ciclo RLde la señal de AC. V in R2Ganancia de Potencia: Además de loaganancia de voltaje todo amplificador tiene una RE Cganancia de potencia definida como: G = POUT/PINLa ganancia de potencia es igual aq lapotencia de salida dividida por la potencia de
  12. 12. Ejemplo:Si la POUT = 10 mW y la PIN = 10 µW, cuál será la gananciade potencia del circuito? G = 10 mW/10 µW = 1000 veces.Potencia de Salida: Si se mide el voltaje de salida con un voltímetroRMS, la potencia de salida viene dada por POUT = VRMS2/RL .Cuando medimos el voltaje de salida pico a pico con un osciloscopioentonces POUT = VOUT2/8RL , el 8 sale de VPP = (2√2)2 La máximapotencia de salida se produce cuando el amplificador estágenerando la salida máxima pico a pico. En este caso VPP iguala lasalida máxima pico a pico y por tanto la potencia de salida maximaes: POUT(MAX)= MPP2/8RLDisipación de potencia en el transistor: Si no hay una señal queexite al transistor la potencia de disipación es: PDQ = VCEQ x ICQDebido a esto se dice que la disipación de potencia es igual alvoltaje en DC por la corriente en DC.Cuando aparece una señal, la potencia de disipación del transistordisminuye, ya que el transistor transforma parte de la potencia de
  13. 13. En potencia de señal. Por esta razón la disipación de potencia sinseñal es el peor de los casos. Luego la disipación del transistor debeser mayor que PDQ para que el transistor no se destruya.Consumo de corriente: La fuente de voltaje DC proporciona lacorriente IDC al amplificador. Esta corriente tiene dos componentes, a)la corriente de polarización a través del divisor de voltaje y b) lacorriente de colector que atraviesa el transistor. Se llama corrientede consumo de la etapa, si tenemos varias etapas hay que sumar lade cada etapa para obtener el consumo total.Rendimiento: La potencia que entrega la fuente de alimentación alamplificador es: PDC = VCC x IDCPodemos comparar los diseños de los amplificadores de potenciausando el rendimiento definido como: η = (POUT/PDC)x100%O sea es la potencia de la señal de salida, dividida entre la potenciaen continua de entrada entregada por la fuente. Nos indica que taneficiente un amplificador transforma la potencia de entrada enpote4ncia de salida
  14. 14. Alterna. Esto es importante en equipos alimentados con pilas, puesasí tendrán mayor duración.Como todas las resistencias excepto la de carga tienen pérdidas, elrendimiento η < 100%. El máximo rendimiento en un amplificadorclase A es del 25%.Cuando el consumo es de unos pocos milivatios, el consumo decorriente de la fuente es aceptable, pero en etapas de potencia dondeel consumo es de varios vatios no es permisible el consumo alto decorriente y no se usan amplificadores clase A. +VCC 10 V Ejemplo: El voltaje de salida es de 6.3 Vpp y la impedancia de entrad a la base es de 3 KΩ. a) 3 ,6 K Cuál es la ganancia de potencia del circuito? 10 K El circuito equivalente para AC donde Zin es: Vb V e 4 .7 K 2 ,2 K 50 680 10 K 2 .2 K 3 K Ic 3 .6 K 4 .7 K mV pp
  15. 15. ZIN = 10 K║ 2.2 K║ 3 K = 1.13 KΩ.La potencia de entrad en continua es: PIN = (50 mVPP)2/ 8x1.13 KΩ = 0.277µWLa potencia de salida alterna es: POUT = (6.3VPP)2/8x4.7K = 1,02 mWEntonces la ganancia de potencia es: G = 1.02mW/0,277µW = 3,682La potencia disipada por el transistor será, veamos el voltaje debase para hallar la corriente de emisor.Vb = (10Vx2.2K)/(10K+2.2K) = 1.8 V luego VE = Vb- VBE = 1.8 – 0.7=1.1VEntonces IE = 1.1V/680Ω = 1,62 mA entonces VCEQ será:VCEQ = Vcc – IEx3.6K – VE = 10V – 4.17V – 1.1V = 3.07VLuego la disipación de potencia en el transistor es: PDQ = VCEQxICQ =3.07Vx 1.62mA = 4,97 mW. Luego el rendimiento será, Ipolarización =10V/12.2K = 0.82 mA luego el consumo de corriente total es en DCsin señal: IDC = 0.82mA+1.62mA = 2.44mA Luego la potencia deentrada en DC es PDC = VCCxIDC = 10Vx2.44mA = 24.4 mW. Portanto el rendimiento es:

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