Trabajo Practico N°8 "Amplificadores de potencia en clase B"

Amplificadores de potencia en clase B.

Objeto

• Analizar las características lineales de los amplificadores de potencia en clase B.
• Estudia los bloques funcionales mas importantes usados en el diseño de ,las etapas de potencia en simetría complementaria.
• Analizar las diferentes estructuras circuitales para amplificadores de potencia, incorporando conocimientos relativos a estrategias de implementación y diseño.
• Analizar las condiciones de disipación térmica correcta, sin que sufra desbocamiento térmico de cada dispositivo de potencia y determinar el rendimiento de potencia.
• Determinar las especificaciones técnicas de la etapa.
• Buscar para los diseños de los circuitos las soluciones practicas que mejor se adapten a las consignas del presente trabajo.
• Verificar para cada diseño el funcionamiento de la etapa utilizando software de simulación aplicado.
• Presentar el informe del TP en tiempo y forma.

DESARROLLO PRACTICO

1- Para el siguiente amplificador en simetría complementaria, sabiendo que la fuente de alimentación Vcc=50V, Vee=50V, y el resto de los componentes RG=600ohm, R1=10Kohm, R2=47Kohm, RL=8ohm,
Q1=,Q2=MJD253, D1=D2=1N4001, C1=1uF.

Circuito.

Calcular:
a) La potencia de salida teniendo en cuenta que V1= 18Vp, F=1KHz.



b) Máxima potencia disipada por los transistores.

Medición de PL en el momento.

c) Análisis en continua del circuito.

Medición de Vo.


d)Potencia suministrada por la fuente.

e)Rendimiento teórico y real.

2- El siguiente circuito representa un amplificador de potencia en simetría complementaria, y al cual estudiaremos su comportamiento utilizado el programa Multisim.


A continuación se dará una guía detallada del procedimiento de ensayo, como así también las mediciones que se deberán obtener:

Dibuje el circuito de la figura teniendo en cuenta que el interruptor J1 este abierto, la señal de entrada debera ser senoidal con Vi= 50mV y frecuencia 1000 Hz, el potenciómetro de entrada puesto a punto a minimo (a masa) y la tensión de la fuente de alimentación Vcc=0V

a) Cierre el interruptor y comience a aumentar la tensión de alimentación hasta que los amperimetros indiquen una Ie de 220 mA. Verifique que la tensión de alimentación en este caso debería ser Vcc=20 V

b) Conecte un Osciloscopio en Rl y aumente el nivel de señal de entrada accionadola tecla de control sobre el pote de manera que a la salida haya máxima excursión de señal sin deformación Atención si la señal de salida muestra evidencia de una distorsión de cruce, aumente poco a poco la tensión de alimentación Vcc hasta que desaparezca la tensión.

c) Determine los valores del pinto de funcionamiento estático en todos los transistores.

Valores de Q1:



Valores de Q2



Valores de Q3:

d) Calcule la disipación térmica de los transistores.

Q1:


Q2:


Q3:


e) Realice la medición del rendimiento de potencia de la etapa.
Rendimiento de pontecia:

f) Realice el análisis de la respuesta en frecuencia del sistema.


g) Realice el análisis de la distorsión armónica.




h) Partiendo de las mediciones y cálculos de los parámetros determinados en el circuito elabore una tabla de todas las características técnica de la etapa.


3- El circuito esquemático que muestra la figura es un amplificador de potencia de salida cuasi-complementaria.
Estudiaremos su comportamiento utilizando el programa Multisim y determinaremos:

a) Descripción del circuito, explicando detalladamente cada etapa.

Nos encontramos con un circuito amplificador con una salida cuasi-complementaria. Obtiene este nombre porque en su salida se utiliza una configuración Darlington para poder fabricar un transistor PNP de potencia (debido a que los fabricantes de transistores no realizan estos mismos, se debe emplear esta configuración).Básicamente, el circuito contiene una señal Vi inyectada a un AO "LM741", configurado de manera "no inversor", para de esta manera tener un nivel de tensión mayor en la entrada. Tanto el transistor T1 como el transistor T2 se encuentran para proteger a T5 y T6, respectivamente, de eventuales cortocircuitos que se pudieran producir en la salida del circuito. T3 y T5 provocan una configuración Darlington que "simularía" el transistor NPN, pero con una capacidad de ganancia mayor, y en el caso de T4 y T6 realizarían lo mismo para formar un transistor PNP de potencia. R18 y C5 formaría lo que se llama una red Zobel.
b) Medición del rendimiento de potencia de la etapa.


c) Calculo de disipación térmica de los transistores y diseño de los disipadores.


d) Medición de la polarización y análisis gráfico del punto de funcionamiento de los transistores.


e) Análisis de la respuesta en frecuencia del sistema.


f) Análisis de la distorsión armónica.





g) Corriente máxima de cortocircuito.

Realizamos un cortocircuito en la salida, y verificamos la corriente Ie del transistor BD243B (esta sería la corriente de corto circuito). También cortocircuitamos la Vi. El valor de la corriente máxima de cortocircuito es de 33.675 mA.

h) En función de los parámetros analizados confeccione una tabla de las especificaciones técnica de la etapa.


4- Realizar el proyecto completo de una etapa de potencia en simetría cuasi complementaria de manera que entregue:
Potencia de salida Po=_______W
Sobre una carga RL=_______Ω
Incluya como documentación técnica la siguiente información:
a) Descripción del circuito.
b) Diseño teórico del amplificador.
T1 BD536; T2 BD535; T3 BC558B; T4 BC548B

c) Calculo de disipación térmica de los transistores.


d) Diseño de la red Zobel.



e) Diseño de la red contra sobre intensidades.
f) Implementación final con valores comerciales y verificación de la polarización de todos los transistores.

C1 = 10 uF
C'= 100 uF
C = 1000 uF
C8 = 20 uF


R1 = 0,47 Ω
R2 = 0,47 Ω
R5 = 150 Ω
R6 = 220 Ω
R7 = 390 Ω
R8 = 27 k Ω
R9 = 127 k Ω
R10 = 47 k Ω
R11 = 100 k Ω
R12 = 15 Ω
g) Calculo final del rendimiento real del sistema.

h) Realizar una simulación del comportamiento del circuito con Multisim  obteniendo en forma practica la polarización de todos los transistores, la sensibilidad, la respuesta en frecuencia en modulo y fase, la distorsión  armónica y la potencia de salida.

Este es el circuito final, con todos sus componentes y sus valores, para una salida de 3 W con una carga de 4Ω.

 Verificación de su potencia de salida.

Respuesta en frecuencia.

Tabla:



Armonica Grafico:




Verificación de la polorización de los transistores.







5- Redacte las conclusiones finales del TP haciendo una síntesis sobre los resultados obtenidos en el mismo.

Observamos los diferentes comportamientos de los circuitos en clase B. Pudimos calcular la potencia total disipada por los transistores, y asi poder saber si era necesario la utilización de disipadores o no. Conocimos las diferentes configuraciones con el "par complementario" de transistores, con salida cuasi-complemtaria y tambien vimos el circuito simple de clase B (observamos sus características, polarización de los transistores, analisis de distorción armónica, respuesta en frecuencia del circuito, ect.). Con la última actividad, pudimos desarrollar una etapa amplificadora de clase b con una etapa de salida cuasi-complemetaria, para nuestro caso, lo hicimos con una PO = 3 W y un RL = 4 ohm, y comprobamos su funcionamiento mediante software.

Trabajo Practico N°7"Amplificadores de potencia en clase A"

Trabajo Práctico N°7 : Amplificadores de potencia en clase A
Objeto:

• Analizar las características lineales de los amplificadores de potencia en clase A.
• Analizar las potencias que intervienen en una etapa, buscando que el circuito cumpla la condición de operación segura.
• Realizar el trazado de las rectas de carga estática y dinámica, analizando la ubicación del punto Q para que cumpla con la máxima excursión de señal simétrica sin deformación.
• Hallar el rendimiento de potencia.
• Analizar las condiciones de disipación térmica correcta, sin que sufra desbocamiento térmico.
• Buscar para los diseños de los circuitos las soluciones prácticas que mejor se adapten a las consignas del presente trabajo.
• Verificar para cada diseño el funcionamiento de la etapa utilizando software de simulación aplicado.
• Presentar el informe del TP correctamente en tiempo y en forma.
Software aplicado:

Multisim.
Desarrollo Práctico:

1) Determinar el disipador adecuado para que el transistor BD135 pueda disipar 5W sin sufrir desbocamiento térmico.

2) Calcular la máxima potencia que pueda disipar el transistor TIP41, si utilizamos un disipador con una Rtda= 50° C/W.p.



3) Determinar el disipador adecuado para que el transistor TIP107 pueda disipar 10W sin sufrir desbocamiento térmico.


4) Calcular la máxima potencia que pueda disipar el transistor BD136, si utilizamos un disipador con una Rtda= 30° C/W.


5) Un amplificador de potencia tiene como transistor de salida un 2N3055.Calcular la resistencia térmica del disipador, sabiendo que dicho transistor tiene que disipar 25W y que por problemas de diseño no puede superar el mismo 80mm de longitud por necesidades de montaje.


6) Calcular la máxima potencia que puede disipar un transistor 2N1711 a una temperatura ambiente de 40°C suponiendo que el montaje del mismo se realizó:
a) Sin disipador.

b) Con un disipador que tiene Rtda= 1,5°C/W.




7) Un amplificador clase A. Cuyo circuito se indica a continuación.

Utilizando software aplicado se le determinara las principales características la impedancia de entrada y salida; la ganancia de tensión y de potencia;el ancho de banda, la distorsión.

a) En el primer término haremos la determinación de la impedancia de salida del amplificador.
Conectar los instrumentos en la forma que se indica a continuación para realizar esta determinación.

Tenga en cuenta lo siguiente:
El amplificador a ensayar se considera como un cuadripolo, y desde el punto de vista de la definición de Impedancia de salida de un cuadripolo, seria necesario cortocircuitar la entrada del mismo para su determinación  En la practica, esta condición se considera satisfactoriamente cumplida si la impedancia de salida del generador usado para excitar al amplificador es suficiente baja respecto de la impedancia de entrada del mismo.
La frecuencia de la señal de entrada a usar debe estar dentro del ancho de banda del amplificador, o sea en la zona plana, de modo que debería determinarse primero el ancho de banda. Para seguir el proceso, se considerara a priori señal senoidal de 1KHz, el cual es un valor que se fija a priori en funcion de las caracteristicas del amplificadorque se va a ensayar.
El nivel da la señal de entrada se ajustara a fin de obtener la maxima señal de salida sin distorsion por recorte y simetrica. Si el amplificador tiene potenciometro de volumen, ajustar al maximo para realizar esta medicion previa a inyectar la señal de entrada.
A continuacion, con la resistencia variable de carga (Rc1) desconectada (es decir en vacío), ajustar.
Los mandos de los instrumentos para obtener un nivel de señal de salida tal que posibilite su lectura comoda con el voltimetro sin que se produzca distorsion en la forma de onda observada con el osciloscopio.
En el circuito sugerido, puede reducirse la distorsion y busca maxima excursion simetrica, retocando el resistor variable 5K.
Seguidamente se procedera a conectar el resistor de carga variable cuidando de comenzar con el valor maximo del mismo para luego ajustarlo hasta que la lectura de la tension de salida efecutada con el voltimetro se reduzca a la mitad que la obtenida en vacio al principio.
En esta situacion el valor de la impedancia de salida del amplificador es numericamenete igual a la resistencia de carga (por el tipo de amplificador y la frecuencia en que la impedancia de salida no tiene parte reactiva considerable), de acuerdo al teorema de la maxima transferencia de energia, y su valor de la resistencia de carga (Rc1) con un ohmetro.

Circuito:

Medición de Vo y Zo, llave abierta.

Medición de Vo y Zo, llave cerrada.

b) Determinación de la impedancia de entrada del amplificador. Armar el montaje que se muestra a continuacion

Inicialmente se debe repetir el primer paso de la experiencia anterior y tomar nota del valor de la tension de salida. Luego se conecta en serie entre el generador y la entrada del amplificador, una resistencia variable (Re1) cuidando de comenzar con su minimo valor. Se ajusta a continuacion el valor de la misma hasta que la lectura de la tension de salida cae a la mitad de la magnitud inicial.
En esta situacion el valor numericode Re1 es igual a la impedancia de entrada del amplificador. (Son validas las mismas consideraciones que se efectuaron en el experimento anterior).

Circuito

Mediciones la tensión e impedancia, llave abierta.

Mediciones la tensión e impedancia, llave cerrada.

c) Medición de la ganancia de tensión del amplificador:

Antes de proceder a medir la ganacia de un amplificador cualquiera, se debe establecer primero cual es la funcion del amplificador, y cual la naturaleza de la ganacia que se pretende medir. Si el dispositivo se va a emplear como un amplificador de tension normalmente se lo hace trabajar con la salida en condiciones de carga proximas al circuito abierto, entonces, para determinar la ganacia de voltaje del amplificador, bastara con medir la misma sin carga conectada a la salida.
En cambio si se pretende medir la ganacia como amplificador de potencia, es necesariio conectar una carga igual a la que habitualmente se va a emplear en condiciones normales de funcionamiento, (que eventualemente puede ser igual a la resistencia de salida cuando se busca maxima transferencia de potencia). En ambos casos se debe dar junto con la especificacion de ganancia el valor de la impedancia de salida del dispositivo para que los datos suministrados sean de utilidad.). En esta parte del trabajo practico se determinara la ganacia de tension del amplificador.
Una de las formas mas comunes de expresar el valor de la ganacia de un amplificador es en decibeles, y la forma mas facil de determinarla es mediante el empleo de un osciloscopio determinando el valor eficaz de la señal de salida y de entrada que pueden ser convertidos en dBm si se conoce el valor de la resistencia del circuito sobre el que se mide (Rx) empleando la siguiente ecuacion:

El calculo de la ganancia total fue mal efectuado. El calculo es G= dBm-dBmo=  -13.257

Notese que al medir sobre circuitos cuya resistencia es de 600Ohm, la lectura en dBu es equivalente a dBm, de lo contrario debe efecutarse el calculo y la correccion de impedancia correspondiente. Esto es util y debe tenerse en cuenta para el caso de que pretenda hacer una medicion absoluta. En el poblema que nos ocupa, la ganacia de tension en dB, sera directamente la diferencia entre las lecturasen dBm a la salida y a la entrada del amplificador.


d)Medicion de la potencia de salida del amplificador.
La potencia de salida del amplificador se medira para la condision de resistencia de carga igual a la impedancia de salida del mismo, y para maxima excursion simetrica de la tension de salida, (es decir, sin recorte), para lo cual debera disponer los instrumentos de la misma forma que en el punto A.

e)Ensayo de la respuesta en frecuencia (ancho de banda) del amplificador.
En su forma mas elemental y simple, la respuesta en frecuencia de un amplificador cualquiera se determina efectuando un barido de frecuencia, manteniendo constante el nivel de la señal aplicada a la entrada, que debe tener un valor suficiente para obtener la maxima tension de salida sin distorsión. El ancho de banda viene dado por los limites de frecuencia entre los cuales el nivel de salida no cae mas de 3dB respecto del valor para una frecuencia media.
En nuestro caso con el uso del software aplicado (Multisim) realizaremos una representacion de la respuesta en frecuencia de la ganancia y la fase utilizando el instrumento Bode Plotter y graficando la misma mediante la aplicacion del programa grapher.

Respuesta en frecuencia (Ancho de banda)

f) Determinación de la distorsión por diversos métodos.

La distorsión es un efecto por el cual una señal pura (de una única frecuencia) se modifica apareciendo componentes de frecuencias armónicas a la fundamental. En el dominio del tiempo, esto significa que la forma de onda se degenera de una onda senoidal pura a una deformada, y en dominio de la frecuencia, la expresión matemática se transforma de una expresión senoidal en una onda de Fourier de varias componentes. Cuanto mayor es la distorsión, mayor sera la cantidad de componentes de la onda de Fourier.
A continuacion mediante la utilizacion de software aplicado realizaremos el analisis de Fourier de la señal de salida, determinando el contenido armonico de la distorcion en la señal demodulada.
Eligiremos en la barra de herraientas del Multisim el menú Simulate analyses, Fourier Análisis.
Utilizando el programa Graph, grafique el espectro en el nodo de salida realice el calculo de la distorsión armónica total.
Con el valor de cda una de las componentes resultantes del espectro de salida realice el calculo de la distorsión armónica total.
Recuerde que definimos al parámetro distorsión armónica THD (Total harmonic distortion) como el cociente:

g) Partiendo de las mediciones y cálculos de los parametros determinado en el circuito elabore una tabla de todas las caracteristicas técnicas la etapa.









8. Diseñar una amplificador clase A con un grupo Darlington sabiendo que la potencia de salida es de 200mW y la tensión máxima excursión simétrica de señal sin deformación de salida es de 4 Vpk.

Calcular:
a) Características del transistor utilizado.

http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/110749/ONSEMI/2N6038.html

b) Los cálculos de diseño de la etapa.

c)Valores del punto de funcionamiento estático.

Por los calculos determinados en el punto anterior:
Vceq= 12,9 V
Icq= 0,465 A

d) Medición del rendimiento de potencia de la etapa.



e) Calculo de la disipación térmica del transistor y diseño del disipador.

f) Medición de la polarización y análisis gráfico del punto de funcionamiento de los transistores.

g) Análisis de la respuesta en frecuencia del sistema.

h) Análisis de la distorsión armónica.

i)Partiendo de las mediciones y cálculos de los parámetros determinados en el circuito elabore una tabla de todas las características técnicas de la etapa.

9. Un amplificador clase A con acopla miento por transformador, suministra a una carga Rl=16 Ohm una potencia de Pl= 2W.

Vamos a usar el transistor 2N6038

Calcular:

a) Características del transistor utilizado

http://html.alldatasheet.com/html-pdf/110749/ONSEMI/2N6038/215/1/2N6038.html

b) Los cálculos de diseño de la etapa.

c) Valores del punto de funcionamiento estático.

       Vceq = 2v

       Icq = 500mA
d) Determinación de la relación de transformación, y las características constructivas del transformador.

Relación detransformación K

La razón de transformación K es el valor del cociente que resulta de dividir la cantidad de espiras del bobinado primario (N1) y del bobinado secundario (N2). 

K= N1/N2 

 
En un transformador al vacío (sin carga), las fuerzas electromotrices inducidas (E1 y E2) guardan un relación directa, por lo que también se puede determinar la relación de transformación con E1 y E2.

K= E1/E2

(Infotmación sacada de http://www.unicrom.com/Tut_razon_trEn este TP pudimos observar todo el tema de disipación, aprendimos a utilizar la tabla para hacer el calculo de los disipadores, también vimos las diferencias entre poner un disipador y no ponerlo.

Realizamos las mediciones de las impedancias entrada/salida, respuesta en frecuencia, distorsión armónica y por ultimo realizamos los cálculos para obtener un circuito con una potencia de salida de 1Wansformacion_transformador_potencia.asp).

e) Medición del rendimiento de potencia de la etapa.

f) Calculo de disipación térmica del transistor y diseño del disipador.

g) Medición de la polarización y análisis gráfico del punto de funcionamiento de los transistores.

h) Análisis de la respuesta en frecuencia del sistema.

i) Análisis de la distorsión  armónica.

j) Partiendo de las mediciones y cálculos de los parámetros determinados en ele circuito elabore una tabla de todas las características técnicas de la etapa.

              Icq                          500mA
              Vceq                            2V
              Thd                         0.16%
              Pcc                             4W
              Pdtmax                       1W
              PL                              1W
        Rendimiento de potencia   50%



10) Redacte las conclusiones finales del TP haciendo una síntesis sobre los resultados obtenidos en el mismo.

En este TP pudimos observar todo el tema de disipación, aprendimos a utilizar la tabla para hacer el calculo de los disipadores, también vimos las diferencias entre poner un disipador y no ponerlo.Aprendimos a medir la distorsión armónica, (un factor importante en la calidad del amplificador) a utilizar la tabla de cálculo de los disipadores. Vimos como es la configuración de amplificador de clase A.
Se pudieron observar los diversos comportamientos que tiene un amplificador con respecto a la disipación.
Realizamos las mediciones de las impedancias entrada/salida, respuesta en frecuencia, distorsión armónica y por ultimo realizamos los cálculos para obtener un circuito con una potencia de salida de 3W.