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Amplificadores de Potencia, Conceptos básicos
J. I. Huircan
Abstract–Los amplificadores de potencia son conver- tidores 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 eficiencia y uso. Index Terms–Power Amplifier.
I. Introduction
Un amplificador de potencia convierte la potencia de una fuente de corriente continua (Polarización VCC de un cir- cuito con transitores), usando el control de una señal de entrada, a potencia de salida en forma de señal. 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 per- mitida de voltaje y corriente que asegure la máxima disi- pación, (SOA, Safe Operating Area). Se deben considerar los voltajes de ruptura y efectos térmicos permitidos en los dispositivos de estado sólido, considerar las característica no lineales en el funcionamiento y usar los parámetros para gran señal del dispositivo. La curva muestra las caracteristicas de emisor y colector de un transistor,
II. Clasificación de los amplificadores de potencia Existen cuatro clasificaciones básicas de amplificadores de potencia: A, AB, B y C. En clase A, el amplificador está polarizado de tal forma que la corriente por el colector fluye durante el ciclo completo de la señal de entrada. Para clase AB, la polarización del amplificador es de tal forma que la corriente de colector solamente fluye 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 fluirá 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. , muestra el comportamiento de los distintas clases. Los amplificadores tipo AB y B usan configuraciones transistorizadas llamadas push-pull. Cada uno de estos amplificadores posee características de eficiencia y distorsión distintos, por lo cual, sus apli- cación será a distintas áreas.
III. Relaciones básicas en los amplificadores de potencia Para analizar los amplificadores de potencia se requiere de ciertas cantidades y relaciones. Como el amplificador de pontencia convierte la potencia de cc de la fuente de
Documento preprarado en el DIE, Universidad de la Frontera 2004.
alimentación en una señal de potencia en la carga, la efi- ciencia de este proceso está dada por
η =
PL(AC)
PCC
Donde η es la eficiencia , PL(AC), es la potencia media de señal en la carga y PCC , la potencia media de salida en la fuente de alimentación. El peak instantáneo y la potencia media disipada en el dispositivo de amplificación, considerando un trasistor bipolar como dispositivo de potencia, se tiene
PCE = PCC − PL (2)
Donde PCE es la disipación media de colector, PL es la potencia total, es decir, potencia cc más potencia ca en la carga. Para la evaluación de las distintas cantidades de poten- cia, se usa la relación básica dada por (3), donde p es la potencia instantánea, v e i son el voltaje y la corriente instantáneos.
p = vi (3)
Si se considera que v e i son formas de onda period- ica, con componente media (cc), la cual puede ser cero y una componente de ca, no necesariamente sinusoidal, así se tendrá
v = Vdc + vac (4) i = Idc + Iac (5)
Tomando el periodo completo de la onda, se tiene que
P =
2 π
Z (^2) π
0
p · dωt
= VdcIdc +
2 π
Z (^2) π
0
vaciacdωt (6)
Pdc Pac
Donde, Pdc es la contribución de la componente continua y Pac es la contribución de la componente alterna a la po- tencia media. Si las componentes de ca son tipo sinusoidal, se tiene
vac = Vm cos ωt (7) iac = Im cos ωt (8)
Reemplazando en la ecuación (6), se tiene
P = VdcIdc +
2 π
Z (^2) π
0
[(Vm cos ωt) (Im cos ωt)] dωt
= VdcIdc + VmIm 2 π
Z (^2) π
0
cos^2 ωt
dωt
= VdcIdc +
VmIm 2 π
π = VdcIdc +
VmIm 2
Como 2 =
2 , entonces
P = VdcIdc +
VmIm √ 2
= VdcIdc + VrmsIrms (10)
Cuando la señal de corriente tiene componente continua el valor rms de la forma de onda está dado por
Irms =
q I DC^2 + I (^12) rms + I (^22) rms + ... + I n^2 rms (11)
Donde IDC , es la componente continua de la señal, I (^1) rms es el primer armónico de la señal, Inrms es el n−ésimo armónico de la señal.
IV. El amplificador Clase A En operación clase A, el amplificador reproduce toda la señal de entrada, la corriente de colector es distinta de cero todo el tiempo, lo cual se considera muy ineficiente, ya que para señal cero en la entrada, se tiene un ICQ > 0 , luego el transistor disipa potencia.
A. Amplificador Emisor común
Sea la configuración de emisor común de la Fig. 1, la cual funciona en clase A. Por simplicicidad se hace la resistencia de emisor RE = 0. El primer paso será seleccionar RL para máxima potencia de salida.
R L
V CC
R L
V CC
Fig. 1. Seguidor de emisor.
En la Fig. 2, se muestra las rectas de carga para dos puntos Q del amplificador, las cuales se intersectan con la curva PCE. Se observa que IC 2 será la máxima corriente permitida para iC y VCE 1 será el máximo voltaje permitido
para vCE , para el transistor en cuestión. El óptimo elegido será el punto de reposo Q 1 , debido a que IC 1 < IC 2 , lo cual implica una disminusión en la corriente de colector, lo que trae consigo una disminusión en la distorsión y una menor corriente de base requerida para obtener IC 1. Para que la realización sea factible, VCE 1 debe ser menor que VCEO, así se tomará que VCE 1 = VCC. Lo cual puede no ser necesariamente efectivo para otras configuraciones en clase A.
i C
v CE
Q 2 Q 1
P CE(max)
I C
I C
R L
R L
V CE2 V CE
i C
v CE
Q 2 Q 1
P CE(max)
I C
I C
R L
R L
V CE2 V CE
Fig. 2. Distintos puntos Q.
Para valores ICMax y VCEM ax, se tiene que el punto Q estará dado por la tangente a la curva PCEMax, dado por las coordenadas ICQ = ICMax 2 y VCEQ = VCEMax 2 como se indica en la Fig.. 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.
i C
v CE
Q
V CEMax
I CMax
V CEMax 2
I CMax I C Q = 2
V CE Q =
i C
v CE
Q
V CEMax
I CMax
V CEMax 2
I CMax I C Q = 2
V CE Q =
Fig. 3. Pto. Q para máxima excusión simétrica.
De acuerdo a la curva, se pueden establecer las curvas para iC , vCE , PCC ,PCE y PL. El valor de la onda de potencia instantánea pCC , estará dada por el producto VCC iC 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. La potencia en la carga será
PL = I Crms^2 RL (12)
i C
v CE
Q
V CEMax
I CMax
I CMax I C Q = 2
V CE Q = VCC
R dC Recta de carga estática
R AC Recta de carga alterna
i C
v CE
Q
V CEMax
I CMax
I CMax I C Q = 2
V CE Q = VCC
R dC Recta de carga estática
R AC Recta de carga alterna
Fig. 6.
PL = PL(AC) =
V CC^2
2 R^0 L
Dado que la potencia media de la fuente es PCC = VCC ICQ, entonces
PCC = VCC
ICMax 2
= VCC
VCEMax 2 R^0 L
V CC^2
R^0 L
Finalmente, la eficiencia de la conversión será
η =
PL(AC)
PCC
V (^) CC^2 2 R^0 L V (^) CC^2 R^0 L
Por otro lado se tiene
PCE =
V CC^2
R^0 L
V CC^2
2 R^0 L
dc ac (26)
Y el Factor de Merito
F M
PL(AC)
PCE(DC)
V (^) CC^2 2 R^0 L V (^) CC^2 R^0 L
Example 1: Sea el amplificador clase A de la Fig.7, sa- biendo que a la carga RL se le entrega una potencia de 2W calcular La potencia de la fuente PCC ICQ para que el transistor trabaje en clase A Características del transistor Dado que el rendimiento es el 50%, se tiene
PL(AC)
PCC
2 W
PCC
PCC = 4W
R (^) L
V (^) C C = 20V n:
R (^) 1
R (^) 2 R (^) 3
Fig. 7. Amplificador Clase A.
Como PL(AC) = V^ CC^2 R^0 L^ = 2W,^ esto implica que^ R
0 L = 202 2 W = 100 [Ω]^ ,^ además,^ PL^ =
I √CQ 2
R^0 L, entonces
2 W =
I^2 CQ
100 [Ω]
ICQ = 0.2 [A]
V. El Amplificador Clase B
En esta operación, se usa un transistor para amplificar el ciclo positivo de la señal de entrada, mientras un se- gundo dispositivo se preocupa del ciclo negativo. Esta es la configuración push-pull.
N s R L
N p
N p
Q 1
Q 2
V CC
+ R
NN ss R LL
N p
N p
Q 1
Q 2
V CC
Fig. 8. Amplificador Clase B.
Se requieren dos transistores para producir la onda com- pleta. Cada transistor se polariza en al punto de corte en lugar del punto medio del intervalo de operación. La corriente de colector es cero cuando la señal de en- trada es cero, por lo tanto el transistor no disipa potencia en reposo. De la curva dada en la Fig. 9, se obtiene
ICMax = VCEMax R^0 L
VCC
R^0 L
Luego, la potencia en la carga será nuevamente la indi- cada en (12). 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
AMPLIFICADORES DE POTENCIA, CONCEPTOS BÁSICOS 5
i C
v CE
Q
VCC=V CEMax
I CMax
I CMax 2 I C Q =
VCC
R dC Recta de carga estática
R AC Recta de carga alterna
2
i C
v CE
Q
VCC=V CEMax
I CMax
I CMax 2 I C Q =
VCC
R dC Recta de carga estática
R AC Recta de carga alterna
2
Fig. 9.
PL =
μ ICMax 2
R^0 L =
μ VCC 2 R^0 L
R^0 L
V CC^2
4 R^0 L
Luego, la potencia total en la carga suministrada por ambos transistores
PL(AC) =
V CC^2
2 R^0 L
Para determinar la potencia promedio PCC , entregada por VCC , se debe determinar la corriente media consumida, la cual se llamará ICC , (que corresponde a la media de la corriente iCC ). De acuerdo a la Fig. 10 la onda de corriente producida sera la superposición de los dos semiciclos.
ICC =
π
Z (^) π
0
ICMax sin (ωt) dωt
ICMax π
Z (^) π
0
sin (ωt) dωt =
ICMax π
2 ICMax π Así se tiene que
PCC = VCC
2 ICMax π
= VCC
π
VCC
R^0 L
2 V CC^2
πR^0 L
V CC^2
R^0 L
Finalmente, se tiene el rendimiento
η =
V (^) CC^2 2 R^0 L 2 V (^) CC^2 πR^0 L
π 4
Lo que corresponde a un 78.5% de eficiencia en la con- versión. Por otro lado, la potencia disipada en el colector será
iC
t
iC
iiiiCC2CC
ICMax
ICMax
ICMax^ iCC^ t
t
Promedio ICC
Fig. 10. Curvas de corriente.
PCE =
V CC^2
π^2 R^0 L
Sea el circuito de la Fig. 11 que corresponde a un am- plificador de simetria complementaria. La carga será de acoplamiento directo
R L
Q 1
Q 2
+VCC
-VCC
Fig. 11. Simetria complementaria.
Para este amplificador se tiene
PL = I rms^2 RL =
V CC^2
2 RL
= P(LAC)
PCC = 2
V CC^2
πRL η =
π 4
PCE = 2
V CC^2
πRL
V CC^2
2 RL
Simetría complementaria con acoplamiento capacitivo Para este caso se tiene que la alimentación de cada tran- sistor es VCC 2 y la carga será RL.
