Introducción
Los amplificadores de potencia se diseñan con el propósito de proporcionar una tensión de salida con máxima oscilación simétrica, teniendo en cuenta que deben poseer también la mínima distorsión a una baja resistencia de carga. Dependiendo del circuito o lo que se quiera hacer, un sistema puede tener varias etapas de amplificación, la última etapa suele ser un amplificador de potencia. La carga puede ser cualquier cosa como: un parlante, un relay, etc., y la entrada al sistema una pequeña señal que se amplifica a través de las etapas de tensión. Existen varias clases de amplificador, como: Clase A, Clase B, Clase AB y Clase C. En este trabajo se tratará de diseñar dos tipos de amplificadores, un amplificador Clase A acoplado en forma inductiva y un amplificador Clase B con un transformador.
1.-Diseño de un Amplificador clase A, con un inductor: Datos:
Vcc=50[V] Fuente alterna: 1[KHz] C=100[μF] de acoplamiento
Polarización de base con divisor de tensión Transistor npn de potencia, mod bd801. Rl=10[Ohm] Ieq=Icq a) Diseño:
Se trabajará la señal alterna con un voltaje de 1[V], el cual será transformado a su valor RMS:
√
Se desea diseñar un Amplificador clase A, siendo el siguiente circuito:
Se sabe que w*L1>>Rl, entonces w*L1>>10 y que , entonces w=6283,18531[rad/seg].
Entonces: 6283,18531*L1>>10 L1>>0,001591549 L1=16[mH]. (Aproximando, para estandarizar y aparte mayor) Por otro lado se sabe que Rind<
Ahora:
Con Vb=Vbe + Ve=0,7+Re*Ieq =0,7+1*4,5454= 5,2454[V]
R2=2[Ohm] Ahora,
R2=44,75≈ 45 [Ohm] El circuito obtenido es el siguiente:
b) Grafico de las señales: Analizando la señal de entrada versus la señal de salida se puede ver la amplificación del diseño, donde la onda verde es la entrada y la onda roja es la salida:
c) Eficiencia del amplificador: =
( ) ( )
d) Calculo del desfase de la señal:
T2-T1=603,306[us], T=1[ms] ()
Ф=
e) Calculo de la distorsión a la señal de entrada con 1[kHz]:
%Distorsión=
=
f) Tabla de datos a diferentes frecuencias y voltajes de entrada, indicando Vmax, Vmin, % distorsión y % amplificación: Para 1 [kHz]: Señales: 0,5[V]:
1 [V]:
1,5[V]:
2[V]:
2,5[V]:
Tabla: Voltaje [V] 0,5 1 1,5 2 2,5
Voltaje RMS [V] 0,35355 0,707 1,0606 1,41421 1,7677
Para 3 [kHz]: 0,5[V]:
1 [V]:
Frecuencia [khz] 1 1 1 1 1
Vmax
Vmin
% Dist.
% Ampl.
3,616 7,241 10,829 14,349 15,665
3,613 7,233 10,790 14,102 17,526
0,0839 0,11 0,36 1,72 10,61
722,9 723,7 720,633 711,275 663,82
1,5 [V]:
2 [V]:
2,5 [V]:
Voltaje [V] 0,5 1 1,5 2 2,5
Voltaje RMS [V] 0,35355 0,707 1,0606 1,41421 1,7677
Para 6 [kHz]: 0,5 [V]:
1 [V]:
Frecuencia [khz] 3 3 3 3 3
Vmax
Vmin
% Dist.
% Ampl.
4,457 8,891 13,238 17,228 20,628
4,454 8,872 13,103 15,133 16,074
0,067 0,2136 1,0197 12,16 22,0767
891,1 888,15 878,03 809,025 734,04
1,5 [V]:
2 [V]:
2,5[V]:
Tabla: Voltaje [V] 0,5 1 1,5 2 2,5
Voltaje RMS [V] 0,35355 0,707 1,0606 1,41421 1,7677
Frecuencia [khz] 6 6 6 6 6
Vmax
Vmin
% Dist.
% Ampl.
4,574 9,045 13,570 17,620 20,618
4,514 9,021 13,360 15,129 16,307
1,31 0,2653 1,5475 14,137 20,908
908,8 903,3 897,66 818,725 738,5
Grafico Voltaje v/s Distorsión:
60 50 40 frec = 6[kHz] 30
frec = 3[kHz]
20
frec = 1[kHZ]
10 0 0.5
1
1.5
2
2.5
Grafico Voltaje v/s Amplificación: 1000 900 800 700 600
frec= 1[kHz]
500
frec= 3[kHz]
400
frec= 6[kHz]
300 200 100 0 0.5
1
1.5
2
2.5
2.- Diseño de un Amplificador clase B con Transformador: Datos:
Vcc=50[V] Fuente alterna: 1K<=f<=5k Transistor npn de potencia, mod bd801 Máxima oscilación simétrica Polarización de base con divisor de tensión Transformador con a=10 C=100[μF] de acoplamiento
para el 801 Se requiere diseñar el siguiente circuito:
Se trabajará la señal alterna con un voltaje de 1[mV], el cual será transformado a su valor RMS:
√
Se sabe también que R1=R1a, R2=R2a y que RE=Rc. Para realizar este diseño dividiremos los cálculos en 2 partes, las cuales estarán diferenciadas por los 2 capacitores la primera parte de diseño será donde está el transformador, quedando un circuito equivalente:
Se sabe que Rdc=Rc+Re +
Recta Continua:
Recta Alterna:
Rac=
Rdc=Rprim=0,1[Ohm] Ahora calculamos:
.
Entonces para máxima oscilación simétrica:
También se sabe que Ve=0,7[V] y que
, Ieq=Icq.
Re=26[mV]/Ieq=5,2[Ohm]
Entonces R2=8[Ohm]
Vb
0,7 =
R1=R1a=563,42≈570[Ohm] y R2=R2a=8[Ohm]. Ahora se tiene resuelto la primera parte, entonces faltaría calcular la segunda parte, para esta parte se tomara un nuevo circuito con un nuevo Rl, el circuito será el paralelo de R1 y R2, también se utilizará un Vcc=10[V] y un nuevo transistor, el 2N2222, el circuito será:
El nuevo Rl=R1a//R2a=7,88≈8[Ohm]. Se tiene también: Rdc=Rc+RE Rac=Rc//Rl + RE//Rl Rc=RE Tomando en cuenta que Rc=RE=20[Ohm], según condición. Rdc=20+20=40[Ohm] Rac=1,81+1,81=6,66≈7[Ohm] Ahora
=
También se sabe que Vb=0,7[V] y
(para este transistor) y que:
Entonces Vb
0,7 =
R2aa=2657,14≈ 2,7[kOhm]. Entonces el circuito obtenido es el siguiente:
Grafico de la señal primera etapa:
Claramente existe un problema, la señal roja es la entrada, por lo tanto debiera haber salido una señal amplificada, la siguiente figura muestra donde se tomaron las señales:
Grafico de la señal en la segunda etapa:
Existe una amplificación, pero no de la forma teórica como debe ser un amplificador Clase B. A continuación lugar donde se tomo la medida de la señal de la segunda etapa.
Conclusión
Claramente los amplificadores operacionales son una excelente herramienta para el diseño de componentes que requieran la amplificación de señales. Para el amplificador clase A diseñado, se puede decir que resulto exitoso en su diseño, se tomaron en cuenta las condiciones de diseño, logrando una eficiencia del orden del 45,45%, que para los amplificadores teóricos bordean el 50%, es decir un error del 9,1% lo cual es aceptable. También se implemento el circuito para varias frecuencias y voltajes, los cuales fueron graficados pudiéndose apreciar que a mediad que aumento el voltaje de entrada, la distorsión aumenta, ocurriendo esto también cuando se aumenta la frecuencia. También se puede decir que a medida que aumenta el voltaje, disminuye a la vez el porcentaje de amplificación y que al aumentar la frecuencia va variando el porcentaje de amplificación, pareciendo llegar a un límite, notado al ver que las frecuencias de 3[kHz] y 6[kHz] casi se acoplan. Lo otro que pude concluir en este diseño es que el rango de amplificación está entre el 700% de amplificación de la señal y el 1000% de amplificación de la señal. Para el amplificador clase B diseñado, se puede decir que no logre alcanzar los objetivos deseados, ya que no contaba con las características del transformador, ni la real resistividad de la segunda etapa, tampoco lo logre ya que posiblemente al el egir el punto de operación, posiblemente no elegí el más optimo no logrando el objetivo deseado, claramente puedo concluir que el diseño de los amplificadores clase B es más complejo, siendo más difícil su diseño, pero aún así personalmente creo que fue un muy buen ejercicio, ya que me significó estudiarlos en mayor profundidad y entenderlos de mejor forma.
