CAPITULO I ELECTRONICA DE POTENCIA

CAPITULO I: ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Introducción
En los amplificadores de pequeña señal los factores principales son comúnmente la
linealidad de los amplificadores y la magnitud de la ganancia. Puesto que el voltaje y la
corriente de la señal son pequeños en un amplificador de pequeña señal, la capacidad de
manejo de potencia y la eficiencia de potencia son de poca importancia.
Por su parte, los amplificadores de potencia o de gran señal suministran principalmente
potencia suficiente a una carga de salida para controlar por ejemplo un altavoz, una bocina
u otro dispositivo de potencia, suministrando desde unos cuantos hasta decenas de vatios.
El presente capítulo se concentra en aquellos circuitos amplificadores que se utilizan para
manejar señales de gran voltaje a niveles de corriente moderados y altos, teniendo como
principales características de estos circuitos la eficiencia de potencia, la potencia máxima
que el circuito es capaz de manejar y la correspondencia de impedancias con el circuito de
salida.
Generalmente las características de los amplificadores están dadas por su división en clases,
dependiendo de la variación de la señal de salida con respecto a un ciclo completo de la
señal de entrada.
Para audiofrecuencia se tienen las clases A, B y AB y para radiofrecuencia las clases C y D.
El presente capítulo se centra en el análisis y diseño de amplificadores de audiofrecuencia.
1.1
Amplificador clase A
El funcionamiento de un amplificador en clase A se caracteriza porque el transistor trabaja
siempre en la región activa, es decir que por el colector circula corriente durante todo el
ciclo de la señal de entrada, esto significa que aún sin presencia de señal de AC a la entrada
del amplificador, hay disipación de potencia.
Dependiendo del tipo de acople entre el amplificador y la carga se diferencian básicamente
los siguientes tipos de amplificador clase A:
1.1.1. Amplificador clase A alimentado en serie
El circuito básico se muestra en la figura 1.1
Figura 1.1. Amplificador clase A alimentado en serie
Operación del circuito en DC:
De la malla de entrada del circuito obtenemos:
VCC – IBRb – VBE=0
IB = VCC – VBE
RB
IC = βIB
Y de la malla de salida del circuito obtenemos
VCC – ICRC – VCE = 0
VCE = VCC – ICRC
La figura 1.2 muestra la recta de carga de CD para el circuito de la figura 1.1
Figura 1.2. Recta de carga de CD para el amplificador
clase A alimentado en serie.
Operación del circuito en AC:
De la malla de salida del circuito obtenemos:
Rca = Rcd = RC y
Vce = – iCRC
De modo que la recta de carga de AC está dada por:
iC − I CQ = −
1
(vce − VCE )
RC
Graficar la recta de carga de AC y comprobar que es la misma que la de DC mostrada en la
figura 1.2.
Consideraciones de potencia
Potencia de entrada de cd Pi : se define como la potencia suministrada por la(s) fuente(s)
de polarización al amplificador, está dada por:
Pi = Vcc ICQ
Potencia de salida de ca Po : se define como la potencia de ca entregada a la carga,
teniendo presente una señal de ac a la entrada del amplificador. La potencia de salida puede
ser expresada de diversas maneras, ya sea que se utilicen valores RMS, valores pico o
valores pico a pico de la señal de salida. Las ecuaciones se muestran en la tabla 1.1.
Valores RMS
ic x Vce
ic2 x Rc
icp x Vcep
icp2 x Rc
2
2
Valores Pico a Pico
icpp x Vcepp
icpp2 x Rc
8
8
Tabla 1.1. Ecuaciones de potencia para el amplificador
clase A alimentado en serie
Valores Pico
Vce2
Rc
Vcep2
2Rc
Vcepp2
8Rc
Una vez conocida la potencia de entrada de cd y la potencia de salida de ca entregada a la
carga, se puede introducir el concepto de eficiencia de un amplificador.
Eficiencia
Representa la cantidad de potencia (porcentaje) de cd que es transformada en potencia de ca
y entregada a la carga del circuito. Se denota por la letra griega η.
η = Po(ca) x 100%
Pi(cd)
Eficiencia Máxima
Para el amplificador que se está estudiando, si consideramos que el punto de operación está
en la mitad de la recta de carga, de modo que se tenga Máxima Excursión Simétrica (MES)
en la señal de salida (Figura 1.2), la eficiencia máxima se puede determinar utilizando las
expresiones pico a pico de potencia.
VCC
2 RC
V
I Cpp = CC
RC
vcepp = VCC
I CQ =
La potencia de entrada es:
Pi = VCC × I CQ = VCC ×
VCC
V2
= CC
2 RC 2 RC
La potencia de salida máxima es:
Po =
2
vcepp
8RC
=
2
VCC
8 RC
por lo tanto, la eficiencia máxima está dada por:
η=
Vcc2
V2
÷ cc x 100% = 25 %
8 Rc 2 Rc
Entonces, la eficiencia máxima de un amplificador clase A alimentado en serie es 25%, por
lo tanto, si no se da MES a la salida del amplificador, la eficiencia de estos circuitos será
menor al 25%.
Ejemplo 1:
Qué potencia de salida máxima puede ser entregada por el amplificador de la figura 1.3?
Cuál es la eficiencia?
Figura 1.3. Circuito para el ejemplo 1
De la malla de entrada obtenemos:
VCC − VBE
18 − 0.7
=
= 11.53 mA.
RB
1.5 K
= βI B = 40 × 11.53mA = 0.461A
IB =
I CQ
De la malla de salida obtenemos:
VCE = VCC − I CQ × Rc = 18V − 0.461A × 16Ω = 10.6V
Cálculo de la potencia de entrada:
Pi = VCC × I CQ = 18V × 0.461A = 8.298W
Cálculo de la potencia de salida:
Para calcular la potencia de salida, se hace uso de la recta de carga del circuito, mostrada en
la figura 1.4.
Figura 1.4. Recta de carga para el circuito del ejemplo 1.
De la figura 1.4 puede observarse que:
Vcepp = 2(18 − 10.6) = 14.8V
icpp = 2 × I CQ = 2 × 0.461A = 0.92 A
Por lo tanto la potencia de salida es:
Po =
Vcepp × icepp
8
=
14.8V × 0.92 A
= 1.7W
8
Y la eficiencia es:
η=
Poca
1.7W
× 100% =
× 100% = 20.48%
Picd
8.3W
Cuál sería la potencia entregada a la carga y cual sería el valor de la eficiencia si al
amplificador se le aplica una seña de entrada Vi = 0.02 senωt y la ganancia de voltaje es
Av = −294 ?
Con este valor de Av, el valor del voltaje ac de salida es:
V0 = AV Vi = −294 × 0.02 senωt = 5.88senωt
o sea que V0 PP = 2 × 5.88 = 11.76
entonces la potencia de salida de CA está dada por:
2
Vce PP
11.76 2
P0 =
=
= 1.08W
8Rc
8 × 16
y la eficiencia es:
η=
Poca
1.08W
× 100% =
× 100% = 13%
Picd
8.3W
1.1.2. Amplificador clase A acoplado por bobina (Choque)
En la figura 1.5 se muestra el diagrama circuital de este amplificador, el cual alcanza una
eficiencia máxima del 50%.
Figura 1.5. Amplificador clase A acoplado por bobina
Para el análisis de este amplificador se supondrá que la bobina no tiene resistencia interna,
es decir que no disipa potencia.
El objetivo es encontrar el punto de operación de este circuito de modo que se obtenga
MES a la salida.
Entonces, se inicia haciendo uso de la ecuación que proporciona la malla de salida:
VCC − VCE − I E RE = 0 , pero I E ≈ I C
Reordenando términos y reemplazando I E se tiene la siguiente ecuación que define la recta
de carga de cd:
1
(VCE − VCC )
IC = −
RE
El resistor RE debe mantenerse lo más pequeño posible para minimizar la disipación de
potencia.
Ahora se procede a encontrar la recta de carga de CA. En estas condiciones, la malla de
salida proporciona la ecuación:
vce = i L × RL ,
pero
i L = −iC entonces
vce = −iC × RL
y despejando para iC se tiene:
v ce
, de esta ecuación se sabe entonces que la pendiente de la recta de carga de CA
RL
1
y por lo tanto, la ecuación de la recta de carga en términos del punto de operación
es −
RL
es:
iC = −
iC − I CQ = −
1
(vCE − VCEQ )
RL
Ahora bien, para situar el punto de operación de modo que tengamos MES a la salida,
hallamos I CQ y VCEQ de las siguientes ecuaciones:
VCC
Rac + Rdc
VCC
=
R
1 + cd
Rca
I CQ =
VCEQ
Para el amplificador que se está estudiando no es complicado verificar que Rca = RL y
Rcd = R E , con lo que las ecuaciones anteriores se pueden escribir como:
VCC
RL + RE
V
= CC
R
1+ E
RL
I CQ =
VCEQ
Por lo general RL >> RE , con lo que las ecuaciones anteriores quedarían:
I CQ =
VCC
, VCEQ = VCC
RL
Estos resultados se muestran gráficamente en la figura 1.6.
Figura 1.6. Recta de carga para de CA para
el amplificador clase A acoplado por bobina
Consideraciones de potencia
Potencia suministrada por la fuente:
Pi = VCC I CQ = VCC
2
VCC VCC
×
=
RL
RL
Potencia transferida a la carga:
Para encontrar la potencia de ca que se entrega a la carga, podemos utilizar los valores de
corriente y voltaje RMS, pico ó pico a pico, de igual forma como se hizo para el
amplificador clase A alimentado en serie. Las ecuaciones se muestran en la tabla 2
Valores RMS
iL × vL
i L2 × RL
VL2
RL
Valores Pico
i LP × v LP
2
2
i LP
× RL
2
VLP2
2 RL
Valores Pico a Pico
i LPP × v LPP
8
2
2
VLPP
i LPP
× RL
8
8RL
Tabla 2. Ecuaciones de potencia para el amplifica para el
amplificador clase A acoplado por bobina
Ahora bien, la máxima potencia entregada a la carga se dará en condiciones de MES, es
decir cuando i LP = I CQ (Figura 1.6):
P0 max =
2
i Lp
× RL
2
=
2
iCQ
× RL
2
V
=  CC
 RL
2
2
 RL VCC

=
2 RL
 2
Rendimiento Máximo
El rendimiento máximo del circuito amplificador clase A acoplado por bobina será:
η=
P0 max
V2
V2
× 100% = CC ÷ CC × 100% = 50%
2 RL RL
Pi
Disipación de potencia en el Colector
Hasta el momento se ha visto que la potencia entregada por la fuente es mayor a la potencia
que se entrega a la carga, pero entonces que se ha hecho la diferencia?
La potencia que es entregada por la fuente y que no es disipada en la carga, es disipada en
forma de calor en las junturas del transistor y debe tenerse especial cuidado en que esta
potencia no sea mayor a la especificada para el transistor pues de seguro se presentará un
daño en el mismo.
Teniendo esto en cuenta, se puede hallar la potencia disipada en el transistor como la
diferencia entre la potencia entregada por la fuente y la potencia entregada a la carga, esto
es:
PC = Pi − P0
2
VCC
i R
− LP L
RL
2
La potencia en el colector será máxima cuando el segundo término del lado derecho de la
ecuación anterior sea cero, es decir, en ausencia de señal de entrada, entonces, la potencia
máxima disipada en el colector del transistor es:
PC =
PC max =
VCC
RL
2
Este valor de potencia es el que debe ser inferior a la potencia máxima especificada en las
características del transistor.
Ejemplo 2:
Para un amplificador como el de la figura 1.7, donde PC max = 4W y R L = 10Ω , determinar
el punto Q para entregar la máxima potencia posible a la carga (punto Q para MES),
encontrar también el valor del voltaje de polarización VCC y el valor del rendimiento.
Figura 1.7. Amplificador para el ejemplo 2
2
Sabiendo que PC max
V
= CC podemos hallar el valor de Vcc:
RL
VCC = R L PC max = 10Ω × 4W = 6.3V
De igual forma, sabiendo que iCQ =
iCQ =
VCC
obtenemos:
RL
6.3V
= 0.63 A
10Ω
Ahora se debe encontrar los valores de RB y V BB que nos dan este punto de operación.
Como no existe ninguna restricción, utilizamos el siguiente criterio de diseño para calcular
el valor de RB :
R B = 0.1βRE , si tomamos RE muy pequeño en comparación con RL , por ejemplo R E = 1Ω ,
entonces:
R B = 0.1 × 40 × 1 = 4Ω
Ahora, para encontrar el valor del voltaje de polarización V BB utilizamos la malla de
entrada del circuito, de allí obtenemos:
V BB − I B RB − VBE − I C RE = 0
Despejando para V BB se obtiene:
 4Ω
R

V BB = VBE + I CQ  B + RE  = 0.7 + 0.63 A
+1
 β

 40

 = 1.4V


Ahora se hacen los cálculos correspondientes a la potencia:
Como se hizo el diseño para MES, la corriente pico máxima en la carga es:
i LP = I CQ
y la potencia a la salida es:
2
2
i LP
× RL I CQ × R L (0.63 A)2 × 10Ω
=
=
= 1.98W
P0 =
2
2
2
La potencia suministrada por la fuente es:
Pi = VCC × I CQ = 6.3V × 0.63 A = 3.96W
Finalmente, el rendimiento del amplificador es:
η=
P0
1.98W
× 100% =
× 100% = 50%
Pi
3.96W
1.1.3. Amplificador clase A acopado por transformador
Es una forma de amplificador en clase A que igual al amplificador acoplado por bobina,
logra una eficiencia máxima del 50%. Emplea un transformador para acoplar la señal de
salida a la carga. Un diagrama circuital básico de este tipo de amplificador se muestra en la
figura 1.8.
Figura 1.8. Amplificador clase A acoplado por transformador
Antes de iniciar el análisis del amplificador, recordemos un poco la acción del
transformador.
La función de un transformador es aumentar o disminuir los niveles de voltaje o corriente
dependiendo de la relación de vueltas entre los terminales primario y secundario.
Consideremos el transformador mostrado en la figura 1.8
Figura 1.8. Terminales primario y secundario de un transformador
Transformación de Voltaje:
N 2 V2
=
N 1 V1
Transformación de Corriente:
N 2 I1
=
N1 I 2
Transformación de Impedancias:
Dado que el transformador varía el voltaje y la corriente, también varía la impedancia vista
desde cualquier extremo (primario o secundario).
Considérese el esquema mostrado en la figura 1.9.
Figura 1.9 Transformador con resistencia de carga
Para este diagrama circuital tememos que:
RL' =
V1
I1
y RL =
pero V2 = V1
N2
N1
V2
I2
e I 2 = I1
N2
N 1 V1  N 2
RL =
= 
N1
I1  N1
I1
N2
V1
de modo que
N1
N2
N
o sea que R L = R  2
 N1
'
L



2



2
N
Si definimos a =  1
 N2

 entonces:

R L' = a 2 R L
Donde RL' es la impedancia reflejada desde el secundario hacia el primario del
transformador.
Análisis del Circuito
Suponemos que el transformador es ideal, entonces de la malla de salida obtenemos:
VCC − VCE = 0 , o sea que:
VCE = VCC
Recta de carga de CA:
iC − I CQ = −
1
(vCE − VCEQ )
Rca
Para el amplificador en cuestión Rca = RL'
Con lo que la ecuación de la recta de CA queda como:
iC − I CQ = −
iC = −
1
(vCE − VCC ) , despejando para iC se obtiene:
RL'
1
(vCE + VCC ) + I CQ
RL'
Recordemos que para MES I CQ =
I CQ =
VCC
y para el circuito en cuestión:
Rca + Rcd
VCC
RL'
Ahora bien, como el punto de operación está en la mitad de la recta de carga de CA (por
MES), los valores máximos de la recta de carga de CA son:
iC max = 2 I CQ
vCE max = 2VCEQ
Estos resultados se muestran gráficamente en la figura 1.10.
Figura 1.10. Recta de carga de CA para el amplificador clase A
acoplado por transformador
Consideraciones de Potencia
Los cálculos de potencia del amplificador clase A acoplado por transformador son los
mismos que para el amplificador clase A acoplado por bobina, cambiando RL por RL' y
como se expuso anteriormente, la eficiencia máxima sigue siendo del 50%.
Ejemplo 3:
Para el circuito mostrado en la figura 1.11 calcular la potencia máxima que puede ser
entregada a la carga, la potencia suministrada por la fuente, la potencia disipada por el
transistor y el rendimiento.
Figura 1.11 Circuito para el ejemplo 3.
De la malla de entrada tenemos:
V BB − I B RB − VBE − I C RE = 0 , despejando para I CQ :
I CQ =
VBB − VBE 0.7V
=
= 0.63 A
RB
1.1Ω
+ RE
β
De la malla de salida obtenemos
VCC − VCEQ − I CQ RE = 0 , despejando para VCEQ :
VCEQ = VCC − I CQ RE = 6.3V − 0.63 A × 1Ω = 5.67V
Para conocer la potencia máxima que puede ser entregada a la carga es necesario conocer
los valores máximos de la corriente de colector y el voltaje colector-emisor, para ello se
hace uso de la recta de carga de corriente alterna.
iC − I CQ = −
1
(vCE − VCEQ )
Rca
el valor máximo de iC se tiene cuando vCE es cero:
iC max =
VCEQ
Rca
2
2
+ I CQ , pero Rca = R =   × 4Ω = 16Ω
1
'
L
Reemplazando valores se tiene:
iC max =
5.67V
+ 0.63 A = 0.99 A
16Ω
El valor máximo de vCE se tiene cuando iC = 0 :
vCE max = I CQ RL' + VCEQ = 0.63 A × 16Ω + 5.67V = 15.27V
Con estos valores podemos calcular los máximos valores pico o pico a pico que podría
tener la seña de salida para que no haya distorsión, apoyados del gráfico de la figura 1.12.
Figura 1.12. Recta de carga de CA para el amplificador del ejemplo 3.
Los valores pico máximos de la corriente y el voltaje de salida son:
iCP = 0.99 A − 0.63 A = 0.36 A
vCEP = 5.67V
Conocidos estos valores podemos aplicar cualquiera de las ecuaciones para potencia que
incluya valores pico o valores pico a pico. La potencia de salida será entonces:
P0 =
iCP × vCEP 0.36 A × 5.67V
=
= 1.02W
2
2
Compruébese este resultado con las ecuaciones que incluyen el valor de RL' .
El valor de la potencia de entrada es:
Pi = VCC I CQ = 6.3V × 0.63 A = 3.96W
El rendimiento del amplificador es:
η=
P0
1.02W
× 100% =
× 100% = 25%
Pi
3.96W
La potencia máxima disipada en el colector del transistor será:
PC max = VCC × I CQ = 6.3V × 0.63 A = 3.96W
1.2
Amplificador clase B
En la operación en clase B la red de polarización mantiene al transistor en corte y éste entra
en conducción cuando se presenta la señal de CA.
En clase B un transistor conduce corriente solo durante medio ciclo de la señal de entrada
(180° si la señal de entrada es senoidal), es por eso que para tener el ciclo completo de la
señal de entrada es necesario utilizar dos transistores y lograr que cada uno de ellos
conduzca en cada medio ciclo. La operación en clase B también es conocida como
operación en contrafase.
Como se verá mas adelante, los amplificadores en clase B alcanzan una eficiencia máxima
de 78.5%.
La figura 1.13 muestra el diagrama en bloques de la operación en contrafase, una señal de
CA es aplicada a la entrada del amplificador y cada uno de los bloques se encarga de
transferir a la carga la potencia de CA requerida para cada semi-ciclo de la señal de entrada.
Figura 1.13. Representación en bloques de la operación en clase B
1.2.1. Amplificador clase B acoplado por transformador
La figura 1.14 muestra el esquema circuital básico de un amplificador clase B acoplado por
transformador. En la figura aparecen dos transformadores, el primero de la izquierda con
derivación central para obtener dos señales desfasadas 180° y el segundo, para acoplar la
carga. Examinemos el comportamiento de este circuito considerando transistores
ideales( V BE = 0 ).
Figura 1.14 Diagrama circuital para el amplificador clase B
acoplado por transformador
En el semi-ciclo positivo de la señal de entrada i B1 = 0 y por ende iC1 = 0 y el transistor T1
esta en corte. Por su parte, i B 2 >0 por lo que el transistor T2 entra en conducción y se
presenta la corriente de colector iC 2 .
En el semi-ciclo negativo los papeles se invierten, esto es i B 2 = 0 , iC 2 = 0 y el transistor T2
esta en corte. i B1 >0, el transistor T1 entra en conducción y se produce la corriente de
colector iC1 .
La corriente en la carga va a estar dada por i L = N (iC1 − iC 2 ) .
Las gráficas de la corriente en todo el ciclo de la señal de entrada se muestran en la figura
1.15.
En la práctica, sabemos que los transistores no son ideales y por lo tanto solo empezarán a
conducir cuando la señal de entrada supere el voltaje de umbral de la juntura base-emisor
( ≈ 0.7V ), entonces, en la forma de onda de la corriente en la carga sería como la mostrada
en la figura 1.16. Como puede apreciarse, la onda se ve un poco distorsionada en los
valores cercanos a cero, por esta razón, a este tipo de distorsión se le denomina distorsión
de cruce por cero.
Figura 1.15. Formas de onda de corriente en el amplificador
clase B acoplado por transformador.
Figura 1.16. Forma de onda de i L por efectos del voltaje de umbral
ANALISIS DEL CIRCUITO
Para analizar el comportamiento de este amplificador basta con estudiar solo una mitad del
circuito, dado que mientras una mitad esta activa, la otra no. El circuito equivalente se
muestra en la figura 1.17.
Figura 1.17 Mitad del circuito amplificador clase B
Acoplado por transformador
De la malla de salida en DC obtenemos:
VCC − VCE = 0 , o sea que: VCE = VCC
Por el funcionamiento en clase B sabemos que I CQ = 0
Y la resistencia de CA es: Rca = RL'
Con estos resultados, la recta de carga de CA es:
1
(vce − VCC )
RL'
Estos resultados se muestran en la gráfica de la figura 1.18
iC = −
Figura 1.18. Rectas de carga para el amplificador clase B
Acoplado por transformador
POTENCIA CD DE ENTRADA:
La potencia que se suministra por parte de la fuente o fuentes de alimentación, puede
calcularse haciendo uso de la ecuación:
Pi = VCC × I cd
Donde I cd es la corriente promedio consumida de las fuentes de alimentación. El valor de
esta corriente promedio puede expresarse como:
I cd =
2
i LP
π
Donde i LP es el valor pico de la corriente a la salida del amplificador. La potencia de
entrada se puede calcular entonces como:
2V × i
Pi = CC LP
π
POTENCIA CA DE SALIDA
La potencia que se suministra a la carga puede calcularse usando cualquiera de las
ecuaciones vistas anteriormente, ya sea utilizando valores rms, pico o pico a pico, por
ejemplo:
2
v LP
P0 =
2 RL'
Cuanto mayor sea el voltaje de salida, mayor será la potencia entregada a la carga.
EFICIENCIA
La eficiencia del amplificador clase B puede calcularse haciendo uso de la ecuación básica:
P
η = 0 × 100%
Pi
Si aplicamos las ecuaciones anteriores de potencia de entrada y potencia de salida a la
ecuación de eficiencia obtenemos:
2
2V × i
v LP
v
η=
÷ CC LP × 100% , pero i LP = LP' entonces:
'
π
2 RL
RL
2
2V × v
v LP
÷ CC ' LP × 100% y el valor máximo de v LP se da cuando v LP = VCC , con lo
'
2 RL
πR L
que la eficiencia máxima esta dada por:
η=
η=
2
VCC
2VCC × VCC
π
÷
× 100% = × 100% = 78.5%
'
'
4
πR L
2 RL
POTENCIA DISIPADA POR LOS TRANSISTORES DE SALIDA
La potencia disipada como calor en los transistores de potencia de salida es la diferencia
entre la potencia de entrada y la potencia de salida suministrada a la carga.
P2C = Pi (cd ) − Po (ca)
Donde P2C es la potencia disipada por los dos transistores de potencia de salida. La
potencia de salida disipada por cada transistor es:
PC =
P2C
2
1.2.2 Amplificador clase B directamente acoplado
La figura 1.19 muestra el esquema circuital de un amplificador clase B en el que se utilizan
dos fuentes de alimentación y la carga esta directamente conectada a los transistores de
potencia.
Figura 1.19 Diagrama circuital para el amplificador clase B
directamente acoplado
El funcionamiento del circuito se puede explicar observando que cuando i (t ) es positiva el
transistor T1 conduce mientras el transistor T2 permanece en corte. En este caso, la
corriente de colector iC1 circula por la carga RL e i L = iC1 .Cuando i (t ) es negativa, el
transistor T2 esta en conducción mientras el transistor T1 permanece en corte. En este caso
la corriente que circula por la carga es i L = −iC 2 . Estos resultados se representan
gráficamente en la figura 1.20. Nótese que se presenta distorsión de cruce por cero en la
señal de salida.
Figura 1.20. Formas de onda para el amplificador clase B
directamente acoplado
1.3
Amplificador clase AB
Hasta ahora se ha visto que los amplificadores en clase B proporcionan una mayor
eficiencia que los amplificadores clase A, sin embargo, en los amplificadores clase A la
señal no presenta distorsión de cruce por cero debido a que el transistor trabaja siempre en
la región activa. Para tener un amplificador que no presente distorsión y siga teniendo una
buena eficiencia, se presenta el funcionamiento en clase AB, en el cual, la juntura baseemisor de los transistores de potencia se polariza a un nivel de voltaje cercano a los 0.7
voltios, de tal forma que una pequeña variación de la señal de entrada lleve al transistor a la
región activa. La operación en clase AB disminuye e incluso puede eliminar por completo
la distorsión de cruce por cero.
Los diagramas circuitales de los amplificadores en clase AB son básicamente los mismos
que los de los amplificadores clase B, solo que se adicionan redes de polarización, también
llamadas redes de disparo. Las consideraciones de potencia de entrada, potencia de salida y
eficiencia son las mismas que para los amplificadores en clase B.
1.3.1. Amplificador directamente acoplado en clase AB
La figura 1.21 muestra el diagrama circuital de un amplificador clase B al que se le ha
adicionado una red de polarización resistiva para lograr un funcionamiento en clase AB.
Los valores de los resistores deben ser tales que el voltaje base-emisor de cada transistor
sea cercano a los 0.7 Voltios.
Figura 1.21. Amplificador clase AB directamente acoplado
El funcionamiento del circuito es exactamente igual al circuito mostrado en la figura 1.19,
y las formas de onda son las mismas que las mostradas en la figura 1.20, con la diferencia
que en la corriente de salida no se presenta distorsión de cruce por cero.
1.3.2. Amplificador clase AB en simetría complementaria
Una de las configuraciones mas utilizadas para los amplificadores de potencia es la del
amplificador clase AB en simetría complementaria, ya que elimina la necesidad de tener
transformadores a la entrada del amplificador para acoplar la señal a la base de los
transistores. En su lugar, utiliza un par de transistores complementarios es decir,
transistores de iguales características pero uno PNP y otro NPN. Este amplificador puede
también funcionar en clase B, sin embargo, es más deseable su comportamiento en clase
AB para eliminar los efectos de la distorsión en la señal de salida.
La figura 1.22 muestra un amplificador clase AB en simetría complementaria, con una red
de disparo compuesta por resistores y con dos fuentes de polarización. El funcionamiento
de este amplificador es el siguiente:
Cuando el voltaje de entrada es positivo, el transistor T1 entra en conducción mientras el
transistor T2 permanece en corte. La corriente de base de T1 origina la corriente de emisor
ie1 y la corriente que va por la carga es i L = ie1 .
Cuando el voltaje de entrada es negativo, el transistor T2 entra en conducción mientras el
transistor T1 permanece en corte. La corriente de base de T2 origina la corriente de emisor
ie 2 y la corriente que va por la carga es i L = −ie 2 .
Las formas de onda son las mismas mostradas en la figura 1.18 con la diferencia que en la
corriente de salida no se presenta distorsión de cruce por cero.
Las consideraciones de potencia para este amplificador son las mismas que para el
amplificador clase B acoplado por transformador.
Figura 1.22. Amplificador clase AB en simetría complementaria
con red de disparo resistiva
La figura 1.23, muestra un amplificador clase AB en simetría complementaria en donde la
red de disparo esta compuesta por diodos y solo se hace uso de una fuente de alimentación.
Por sus características, vale la pena hacer el análisis de AC y DC.
Figura 1.23 Amplificador clase AB en simetría complementaria con
red de disparo compuesta por diodos
En condiciones de DC, los transistores están en corte, por lo que idealmente se tendría
circuito abierto en los terminales Colector-Emisor de cada uno, sin embargo, en la práctica
lo que se tiene es una impedancia Colector-Emisor de varios Megaohms, con esto, la malla
de salida queda de la forma mostrada en la figura 1.24:
Figura 1.24. Malla de salida en DC para el amplificador de la figura 1.23
De acuerdo con la figura 1.24, en el punto donde se unen los dos emisores de los
V
transistores (punto A) el voltaje que cae es CC .
2
Entonces, la ecuación de la malla de salida en DC para el transistor T 1 sería:
V
Vcc − VCE1 − CC = 0 , de donde se obtiene:
2
V
VCEQ1 = CC
2
Por funcionamiento en clase AB sabemos que I CQ = 0
En condiciones de CA, la resistencia en la malla de salida es:
Rca = RL
Recuérdese que en condiciones de CA consideramos solo una mitad del circuito.
Con estos resultados la ecuación que describe la recta de carga de CA es:
iC = −
1
1
Vcc
(v ce − VCEQ ) = −
(vce −
)
RL
RL
2
La gráfica de la recta de carga y los valores máximos de la señal de salida se muestran en la
figura 1.25.
Figura 1.25. Rectas de carga para el amplificador de la figura 1.23.
Las consideraciones de potencia son exactamente iguales a las de los amplificadores clase
B ya vistos, sin embargo, hay que tener en cuenta una situación sumamente importante:
La fuente de polarización solo entrega corriente durante medio ciclo de la señal de entrada
V
y durante el otro medio ciclo lo hace el condensador de salida que se ha cargado a CC , por
2
esto la corriente promedio que se consume de la fuente de alimentación es
I cd =
i LP
π
Recuerde que i LP es el valor pico de la corriente a la salida del amplificador.
Con esta consideración para la corriente consumida por la fuente, compruebe que la
eficiencia máxima de este amplificador sigue siendo η = 78.5% .
Referencias del capítulo
Boylestad y Nashelsky. Electrónica, Teoria de Circuitos
Savant, Roeden y Carpenter. Diseño Electrónico, Circuitos y Sistemas.
Shilling y Belove. Circuitos Electrónicos Discretos e Integrados