Trabajo Practico N° 8

Amplificadores de Potencia en clase B.

Objeto:

Analizar las características lineales de los amplificadores de potencia en clase B

Estudiar los bloques funcionalesnmás 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

Analiar 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 térmicasde la etapa

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 forma

Software plicado:

Multisim

Introduccion:

Una funcion importante de la etapa de salida de un amplificador es la de proporcionar una baja resistencia de salida para que pueda entregar una mayor corriente sin perdida de ganancia. Una de las etapas de salida mas utilizadas en los amplificadores operaciones y etapas de potencia, es el amplificador Clase AB comunmente tambien lllamado "B Práctico".

Desarrollo Práctico.

1) Para el siguiente amplificador en simetria complementaria, sabiendo que la fuente de alimentacion Vcc=50V y Vee=-50V, y el resto de los componentes: 

RG=600ojm; R1= 10Kohm; RL= 8ohm; Q1= Q2= MJD253, D1=D2=1N4001, C1= 1uF.

Calcular: 

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

           

b) Máxima potencia disipada por los transistores.

  

 

    

    c) Análisis en continua del circuito.

 





















    d) Potencia suministrada por la fuente.

          

    e) Rendimiento teórico y real.

2) El siguiente circuito representa un amplificador de potencia en simetria complementaria, y al cual estudiaremos su comportamiento utilizando el programa Multisim.

A continuacion se dara una guia detallada del procedimiento de ensayo, como asi tambien las mediciones que se deberán obtener:
Dibuje el circuito de la figura teniendo en cuenta que el interruptor J1 esté abierto, la señal de entrada deberá ser senoidal con Vi=50mV y F=1000Hz, el potenciómetro de entrada puesto a mínimo (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 amperímetros indiquen indiquen una IE de 220mA. Verifique que la tensión de alimentación en este caso debería ser Vcc= 20V.

b) Conecte un osciloscopio en RL y aumente el nivel de señal de entrada accionando la 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 distorsion de cruce, aumente poco a poco la tensión de alimentación Vcc hasta que desaparezca la distorsión.

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

Para Q1:                     Para Q2:                     Para Q3:

Icq= 6.3 mA                 Icq= 218.96 mA            Icq= 220 mA
Vceq=2.215V               Vceq= 9.756 V              Vceq=10.24 V

d) Calcule la disipación térmica de los transistores.

Los transistores no requieren disipadores.

e) Realice la medición del rendimiento de potencia de la etapa.

Potencia en RL.








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

g)  Realice el análisis de la distorsión armónica.

Tabla del grafico.

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

3. El circuito esquemático que muestra la figura es un amplificador de potencia de salida cuasi- complementaria.

a) Descripción del circuito, explicando detalladamente cada etapa.


En el circuito muestra un generador de señal senoidal, que esta conectado con un amplificador LM741 puesto como no-inversor para obtener mayor nivel de tensión de entrada.
El amplificador que se encuentra conectado con una serie de transistores. Los transistores 1 y 2 son utilizados para la protección de los transistores 5 y 6, para impedir cortocircuitos que se puedan producir en la salida del circuito.
Los transistores 3 y 5 constan de la configuración Darlington, obtienen una ganancia mayor.
Dependiendo de los transistores 4 y 6 funcionan con la configuración de Darlington, esta actúa como PNP.
Para terminar esta el R18 Y C5 forman parte de la Red Zobel .

b) Medición del rendimiento de potencia de la etapa.

c) Cálculo 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.

Polarización de Q3:

Polarización de Q6:

Polarización de Q1:

Polarización de Q4:

Polarización de Q2:

Polarización de Q5:

e) Análisis de la respuesta en frecuencia del sistema.

f) Análisis de la distorsión armónica.

g) Corriente máxima de cortocircuito.

Corriente se salida en alterna                                                  

                       













Corriente de salida en continua

h) En función de los parámetros analizados confeccione una tabla de las especificaciones técnicas 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= 5w
Sobre una carga RL= 8

Incluya como documentación técnica la siguiente información:

a) Descripción del circuito.

d) Diseño de la red Zobel
e) Diseño de la red contra sobre intensidades.



En el circuito muestra un generador de señal senoidal, que esta conectado con un amplificador LM741 puesto como no-inversor para obtener mayor nivel de tensión de entrada.
El amplificador que se encuentra conectado con una serie de transistores. Los transistores 1 y 2 son utilizados para la protección de los transistores 5 y 6, para impedir cortocircuitos que se puedan producir en la salida del circuito.
Los transistores 3 y 5 constan de la configuración Darlington, obtienen una ganancia mayor.
Dependiendo de los transistores 4 y 6 funcionan con la configuración de Darlington, esta actúa como PNP.
Para terminar esta el R18 Y C5 forman parte de la Red Zobel .

b) Diseño teórico del amplificador.

c) Cálculo de disipación térmica de los transistores.

f) Implementación final con valores comerciales y verificación de la polarización de todos los transistores.

g) Cálculo final del rendimiento real del sistema.

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

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

Trabajo Practico N°7

Amplificadores de potencia en clase A.

1)Determinar el dsipador adecuado para que el transistor BD135 pueda disipar 5w sin subrir desbordamiento térmico.

Pdmax = 5W
Tj = 150 G
Ta = 30 G
Rtjc = 10
Rtcd =1,5
                                                Pdmax =     Tj-Ta            
                                                              Rtjc+Rtcd+Rtda

                                                Rtda =    Tj-Ta   - (Rtjc-Rtcd)
                                                            Pdmax

                                                Rtda = 12,5

2) Calcular la maxima potencia que pueda disipar el transistor TIP41 si usamos un disipador con una RTDA=50 °C/W.

Rtda = 50 C/W
Rtjc = 1,92
Rtcd = 1,3
Tj = 100 G
                                                Pdmax =        Tj-Ta       
                                                              Rtjc+Rtcd+Rtda

                                                 Rtda =    Tj-Ta   - (Rtjc-Rtcd)
                                                              Pdmax

                                                 Rtda = 0,93

3) Determinar el disipador adecuado para que el transistor TIP107 pueda disipar 10 w sin sufrir desbordamiento termico.

Tj = 100 G
Rtjc = 1,56
Ta =50 G
Rtcd = 1,3
                                                      Pdmax =             Tj - Ta       
                                                                    Rtcd + Rtcd +Rtda

                                                      (Rtjc+Rtcd+Rtda).Pdmax = Tj-Ta

                                                      Rtda = Tj-Ta   - Rtjc+Rtcd
                                                                 Pdmax

                                                       Rtda = 4,74

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

Rtda = 30 G
Rtjc = 10
Tj = 100
Ta = 50
                                                       Pdmax =   100-50   
                                                                     10+1,5+30

                                                       Pdmax = 1,2

5) Un amplificador de potencia tiene como transistor de salida un 2N3055, calcular la resistencia termica 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 necesidad de montaje.

Rtjc = 2
Rtcd = 0,4
Tj = 150 G
                                                 Pdmax =          Tj-Ta        
                                                               Rtjc+Rtcd+Rtca

                                                 Rtca = 1,6

6) Calcular la maxima potencia que puede disipar un transistor 2N1711 a una temperatura ambiente de 40° suponiendo que el montaje del mismo se realizo 

a)sin disipador.

b)con un disipador que tiene una RRTDA=1,5°C/W.

Ta = 40 G
Tj = 200 G
Rtjc = 58
a)
                                    Pdmax =    Tj-Ta  
                                                      Rtjc

                                    Pdmax = 2,75 W
b)
                                    Pdmax =   200 - 40 
                                                    58+1,5

                                    Pdmax = 2,68 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.

VU1= 0.934V

Zo= 30 x 5K = 1.5Kohms
          100


Tenga en cuenta lo siguiente:
El amplificador a ensayar se considera como un cuadripolo, y desde el punto de vista de la definicion de Impedancia de salida de un cuadripolo, seria necesario cortocircuitar la entrada del mismo para su determinacion. En la practica, esta condicion 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 deberia 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.

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 tensión de salida. Luego se conecta en serie entre el generador y la entrada del amplificador, una resistencia variable (Re1) cuidando de comenzar con su mínimo valor. Se ajusta a continuación el valor de la misma hasta que la lectura de la tensión de salida cae a la mitad de la magnitud inicial.
En esta situación el valor numérico de Re1 es igual a la impedancia de entrada del amplificador. (Son validas las mismas consideraciones que se efectuaron en el experimento anterior).

Zi= 10 x 5K = 500 ohms
          100


c) Medición de la ganancia de tensión del amplificador:

 Antes de proceder a medir la ganancia de un amplificador cualquiera, se debe establecer primero cual es la función del amplificador, y cual la naturaleza de la ganancia que se pretende medir. Si el dispositivo se va a emplear como un amplificador de tensión normalmente se lo hace trabajar con la salida en condiciones de carga proximas al circuito abierto, entonces, para determinar la ganancia de voltaje del amplificador, bastara con medir la misma sin carga conectada a la salida.
En cambio si se pretende medir la ganancia como amplificador de potencia, es necesario conectar una carga igual a la que habitualmente se va a emplear en condiciones normales de funcionamiento, (que eventualmente puede ser igual a la resistencia de salida cuando se busca máxima transferencia de potencia). En ambos casos se debe dar junto con la especificación 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 ganancia de tensión del amplificador.
Una de las formas mas comunes de expresar el valor de la ganancia de un amplificador es en decibeles, y la forma mas fácil 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 ecuación:

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 lecturas en 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.

Grafico de la Respuesta en Frecuencia.

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 continuación mediante la utilizaron de software aplicado realizaremos el analisis de Fourier de la señal de salida, determinando el contenido armonico de la distorcion en la señal demodulada.
Elegiremos 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 distorsión) como el cociente:

Gráfico de Furrier.

 Tabla del gráfico

g) Partiendo de las mediciones y cálculos de los parámetros determinado en el circuito elabore una tabla de todas las características técnica 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 funciona miento estático.

Especificado en los calculos

d) Medición del rendimiento de potencia de la etapa.

Especificado en los cálculos.

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

f) Medición de la paralización y análisis gráfico del punto de funciona miento de los transistores.


g) Análisis de la respuesta en frecuencia del sistema.

h) Análisis de la distorsión armónica.

Tabla del grafico.




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.

                                     
Calcular:
a) Características del transistor utilizado.

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

b,e)Los cálculos de diseño de la etapa.

c)Valores del punto de funciona miento estático.

d) Determinación de la relación de transformación, y las características constructivas del transformador.

En nuestro caso elegimos un transformador de a = 50
Características generales:
- Tensión primaria: es la tensión a la cual se debe alimentar el transformador, dicho en otras palabras, la tensión nominal de su bobinado primario. En algunos transformadores hay más de un bobinado primario, existiendo en consecuencia, más de una tensión primaria.
- Tensión máxima de servicio: es la máxima tensión a la que puede funcionar el transformador de manera permanente.
- Tensión secundaria: si la tensión primaria es la tensión nominal del bobinado primario del transformador, la tensión secundaria es la tensión nominal del bobinado secundario. Este parámetro debe ser un valor da baja tensión, normalmente 400 V entre fases.
- Potencia nominal: es la potencia aparente máxima que puede suministrar el bobinado secundario del transformador. Este valor se mide en kilovoltioamperios (KVA), siendo las más usuales de 63, 100, 200, 400 y 630 KVA.
- Relación de transformación: es el resultado de dividir la tensión nominal primaria entre la secundaria.
- Intensidad nominal primaria: es la intensidad que circula por el bobinado primario, cuando se está suministrando la potencia nominal del transformador. Dicho en otras palabras, es la intensidad máxima a la que puede trabajar el bobinado primario del transformador.
- Intensidad nominal secundaria: al igual que ocurría con la intensidad primaria, este parámetro hace referencia a la intensidad que circula por el bobinado secundario cuando el transformador está suministrando la potencia nominal.
- Tensión de cortocircuito: hace referencia a la tensión que habría que aplicar en el bobinado primario para que, estando el bobinado secundario cortocircuitado, circule por éste la intensidad secundaria nominal. Se expresa en porcentaje.

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

Otra forma de determinar la relación de transformación es partiendo de las intensidades (corrientes) nominales del bobinado primario y del bobinado secundario (I1 e I2), basado en la relación inversa que guardan con las fuerza electromotrices.

e) Medición del rendimiento de potencia de la etapa.

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

Rtjc = 2,8
Rtcd = 1,3
Tj = 120
Ta = 50
Rtja = 65
                                                  Pdmáx =        Tj - Ta       
                                                                 Rtjc+Rtcd+Rtja

                                                  Pdmáx = 1,01w

g)Medición de la paralización y análisis gráfico del punto de funciona miento 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 el circuito elabore una tabla de todas las características técnicas de la etapa.

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