ELECTRÓNICA DE POTENCIA RELACIÓN DE PROBLEMAS DE LA UNIDAD 2.
AMPLIFICADORES DE POTENCIA
(ETAPA DE SALIDA).
EJERCICIO 1. [1]
En el siguiente siguiente amplificador amplificador de d e potencia poten cia de clase A de la la figura, figura, calcular: ca lcular: A) El valor de d e R B para localizar el punto Q en al centro de d e la línea l ínea de carga. B) La máxima máxima potencia de salida. Datos: Vcc Vcc = 12V, Rc=100 W, h FE = 60 y VBE =0.7V. Sol: A) 11.3k W. B) 180 mW.
Ejer1.mcd ; Tamaño (341KB) EJERCICIO 2. [2]
En un amplificador amplificador de potencia p otencia (Figura), clase A, sin transformador, transformador, determinar la relación existente entre potencia alterna de salida en la carga y distorsión. Para el circuito de la figura, admitiendo que los armónicos de orden superior al 2º son despreciables, determinar la distorsión distorsión armónica en el mismo. Calcular el rendimiento de la conversión de potencia continua en alterna. Datos: Nivel de continua en colector para i B = 0, Ic = 350mA. 350 mA. Nivel de continua en colector para la i B normal de excitación, Ic=390mA. R L =40W. Potencia de alterna en la carga R L, Pa =2W. NOTA: Considérese el transistor ideal. Sol: A) 12.75%. B) 12.75%. B) 18,06%.
El desarrollo en serie de Fourier de la corriente de salida del amplificador, i c, para una excitación de entrada senoidal i b, es de la l a forma:
en la que:
IC = corriente de colector para excitación i b=0. A0 = Nivel de continua de la onda de salida debida a la distorsión. A1, A2,....An = Amplitud de los armónicos de la onda de salida. De donde para los siguientes valores obtenemos: 1)*w t = 0º, i C = Imax = IC + A0+A1+A2+... 2)*w t = 90º, iC = IC = IC +A0 -A2+A4-... 3)*w t = 180º, i C = Imin = IC + A0-A1+A2-... Tomando únicamente hasta el 2º armonico, se obtiene del punto 2), anterior: A 0=A2 ; y resolviendo entre 1) y 3)
La distorsión del armonico de orden, se define como:
La distorsión total se define como,
Por otra parte la potencia en la carga del armonico de orden i, viene dado por:
Finalmente la potencia total en la carga debido al conjunto de armónicos viene dado por:
La potencia total alterna substituyendo este valor en P a,
A) En el ejemplo pedido se tiene, I C=350mA, IC + A0 = 390mA., A2=A0 = 40mA, P T = 2W. Despejando, ;
B) El rendimiento de la conversión viene dado por, P1= Potencia de alterna en la carga para el primer armonico. PC= Potencia de continua en la carga. En nuestro caso: ;
El calculo de V CC, se realiza a partir de la recta de carga siguiente.
EJERCICIO 3. [3]
Diseñar un amplificador complementario de clase B, donde obtengamos una salida igual a la de la siguiente figura. Sabiendo que la resistencia de carga de 8W, con una potencia media de salida de 50W deseada para una amplitud máxima de señal senoidal. Calcular: A) ¿Que valor de Vcc es requerido?, B) ¿Que valor de corriente máxima es requerido para Q1 y Q2?, C) Valor máximo de tensión colector-emisor requerido para Q1 y Q2. D) PDQ1max y PDQ2max. Sol: A) 28.3V. B) 3.54A. C) 56.6V. D) 10.2W, 10.2W.
EJERCICIO 4.
De una etapa de potencia clase B con transistores simétricos complementarios (Figura ejercicio anterior). Calcular: A) Dibujar la señal de salida en la que se pueda observar la distorsión de salida. B) Potencia máxima en la carga. C) Potencia que suministra cada fuente de alimentación. D) Potencia que disipa los transistores cuando la potencia en la carga es máxima. E) Rendimiento para la condición expresada anteriormente. F) Potencia instantánea teórica máxima en los transistores de salida. G) Potencia media máxima en
los transistores de salida. Datos: Vcc=15V; R L=2kW; Vm=13.69V. Sol: A) Ver simulación GRAF1. B) 46.85mW. C) 32.68mW. D) 9.25W. E)71.67%. F) 28.12mW. G) 9.37mW.
Distorsión de cruce.Graf1.jpg
P Q1, VCEQ1, ICQ1.Graf2.jpg
Ejer4out.txt. Tamaño (5KB).
Ejer4.cir.Tamaño (1KB).
Ejer4.mcd ; Tamaño (381KB)
B) La potencia en la carga máxima será:
C) Potencia que suministra cada fuente de alimentación:
De donde P cc1=Pcc2.
D) La potencia que disipa los transistores cuando la potencia en la carga es máxima es:
E) El rendimiento por lo tanto seria:
F) Potencia instantánea teórica máxima en los transistores de salida.
G) Potencia media máxima en los transistores de salida:
EJERCICIO 5. [4]
Diseñar un circuito con simetría complementaria compensado por diodos (Ver figura junto a circuito equivalente a la base) para un amplificador de audio con una respuesta en frecuencia de 60Hz a 20KHz y una potencia de salida de 0.5W en un altavoz de 8W.Utilícense transistores de silicio con b=60. Los diodos tienen una resistencia en directo de 8W. La fuente de alimentación es de 12V. Determinar: A) La ganancia de corriente. B) La potencia proporcionada por la fuente. C) Potencia máxima disipada por cada transistor. Sol: A) 17.9. B) 1.52W. C) 1.02W.
EJERCICIO 6. [4]
Diseñar un amplificador push-pull clase B con simetría complementaria compensado por diodos (Ver figura del circuito anterior) para excitar una carga de 4W a ±3V para un intervalo de frecuencias de 50Hz a 20KHz. Suponer que los transistores NPN y PNP poseen una b=100 para cada uno y V BE = ±0.7V. Los diodos tienen una resistencia en directo Rf=10W. Determinar todas las tensiones y corrientes en reposo para una tensión de alimentación Vcc=16V. Determinar la máxima potencia que se extrae de la fuente de alimentación, la potencia desarrollada en la carga y disipación de potencia en los transistores. Sol: Pcc=4.04W; P L=1.13W ; PT =1.62W. EJERCICIO 7.
Comentar el diseño, formas de onda y funcionamiento del circuito de la figura para los siguientes casos: A) Los interruptores estén en modo LINEAR. B) Los interruptores estén en modo PWM.
EJERCICIO 8. [5]
Del siguiente circuito y tablas asociadas: A) Identificar las etapas y elementos principales junto con la función que desempeñan. B) Comprobar para una carga de 8W y P L= 10W los diferentes valores de tensiones y comentar la tabla. Diseño del circuito y tablas cortesía de Texas Instruments. Pot Imp. Sal. Tens.(RMS) Tens.(Pico) Tens(Pico-Pico) Int(RMS) Int(Pico) Tens.aliment. W
W
V
V
V
A
A
V
10
8
8.94
12.61
25.22
1.12
1.58
32
10
15
12.25
17.31
34.62
0.82
1.15
40
15
8
10.95
15.50
31.00
1.37
1.94
36
15
15
15.00
21.20
42.40
1.00
1.41
50
20
8
12.64
17.88
35.78
1.58
2.24
42
30
8
15.60
22.05
44.10
1.95
2.76
50
Ps R L R4 R5 R6 R8 R9 R11 C7
T7
10 8 12K 3K3 12K 56K 1K2 3K9 2000 TIP32
T8 TIP31
10 15 15K 3K9 15K 12 0K 820 10K 1 000 TIP32A TIP3 1A 15 8 15K 3K9 15K 82K 1K 5K6 2000 TIP42
TIP41
15 15 15K 4K7 15K 82K 680 8K2 1000 TIP32A TIP31A 20 8 15K 3K9 15K 82K 820 5K6 2000 TIP42A TIP41A 30 8 15K 4K7 15K 82K 860 4K7 2000 TIP34A TIP33A
EJERCICIO 9.
En el circuito de polarización de la base de los transistores de salida se suele colocar un transistor como el indicado en la figura. Determinar el valor de R 1 y R2 para obtener una buena compensación térmica con los transistores de salida. Sol: R1=R2.
EJERCICIO 10. [1]
En circuito de la figura tenemos un amplificador de simetría complementaria. Determinar: A) El voltaje en el punto A. B) La máxima potencia entregada en la carga.Datos: Vcc=28V, V D(ON) =VBE(ON)=0.7V, hFE1=hFE2=h FE3=hFE4=hFE5=50, Co=5000mF,Ce=1000mF, h ie1=10kW, RL=8W, R1=12kW, R2=1kW, RE=100W, R=2.2kW. Sugerencia: Obtener la ecuación de VA en función de I, seguido obtener I. Sol: A) 15.6V; B) 11.7W .
A) El voltaje en el punto A con respecto a masa es:
Como Q2 y Q3 son idénticos, por lo tanto V BE2 = VBE3 = 0,7V.
El voltaje en el emisor de Q 1 puede expresarse como:
La corriente de emisor de Q 1 es:
Como IE1@ IC1, y asumiendo que I B2 y IB3 son insignificante con respecto a I C1, entonces IE1@ I y por lo tanto:
sustituyendo I en la ecuación donde obtenemos V A.
una vez obtenido V A si sustituimos en la siguiente ecuación para hallar I.
B) Antes de calcular la máxima potencia entregada en la carga, calculamos primero VCE1.
esta tensión es de pico, para pasarlo a RMS seria
, por lo tanto ahora podemos
hallar el valor de la máxima potencia entregada a la carga:
EJERCICIO 11. [7]
Diseñar el amplificador de la figura, dando los valores de las resistencias, de Vcc y de Is de Q4 de tal forma que suministre una potencia de 100W sobre 8W. En reposo, la corriente de salida deberá ser nula y la de colector de Q 1 de 5mA. Datos: Q 1 es idéntico a Q2; Q6 a Q7. Is1 = 9.74·10 -13, Is3 = 4.82·10 -14, Is5 = 7.4·10 -14, b 1L =100, b 3=100, b 5 =200, b 1H =40, b6 =300. Sol: R4=33.9kW , R2=1004kW , R3=502W , Is=7.91·10 -14 A , Vcc=42V .
Potencia RMS carga.Graf3.jpg
IRL,Potencia AVG carga.Graf4.jpg
Ejer11.cir.Tamaño (2KB).
Ejer11out.txt. Tamaño (5KB).
Ejer11.mcd ; Tamaño (511KB) EJERCICIO 12.
Sea el amplificador de audiofrecuencia de clase A mostrado en la siguiente figura. A ) Diseñar el amplificador de forma que entregue la máxima potencia a una carga RL de 750W, considerando los condensadores de valor elevado (realizar un diseño aproximado). B ) Modificar el diseño realizando un acoplo por transformador, entregando la máxima potencia de salida a una carga RL de 5W. Determinar la amplificación de salida. DATOS: I Cmax =1A, VCEmax =50V, PDmax =5W, bMIN =30, Tc=25º. Sol A)Rc = 150 W ; Re = 15 W ; Vcc = 58 V ; R1 = 662 W ; R2 = 48 W. B ) N = 5 ; Vcc = 28 V
Ejer12.mcd ; Tamaño (837KB)
EJERCICIO 13. [7]
Diseñar un circuito amplificador de clase AB . A) Diseñar un circuito amplificador de clase AB de la siguiente figura, que pueda abastecer el máximo voltaje de salida, con una resistencia de carga de 5W ,con una corriente I Q =2 mA ; VCC
= 12V. DATOS: (Diodo) I S = 10 -13 A ; VD1 = VD1 = 0.7V y IDmin = 1 mA que asegure la conducción. (Transistor ) ßf = 50 ; V BE = 0.7V ; VCEsat = 0.2V ; VT=25.8 mV. B) Hallar el voltaje en los diodos VBB para una tensión de salida Vo = 0V y Vo = 11.8V. Sol A)R1 = R2 = 1994 W ; B) V BB = 1.277V y V BB = 1.19V.
Ejer13.mcd ; Tamaño (555KB) EJERCICIO 14. [6]
Para la etapa de salida de la figura, Vcc=15V y que para todos los dispositivos V CEsat =0.2V,VBEon = 0.7V y ß= 50, R 1=20kW. A) Calcular los limites máximos positivos y negativos para RL=10kW y RL=2kW. B) Calcula la potencia máxima promedio que se puede entregar a RL antes de que ocurra el recorte para RL=10kW y para RL=2kW. Calcular la eficiencia del circuito correspondiente y la potencia promedio disipada por cada uno de los dispositivos de salida. Desprecie la distorsión por cruce y suponga señales senoidales.
Ejer14.mcd ; Tamaño (517KB)
BIBLIOGRAFíA. [1] Research and Education Association; "The electronics problem solver".Piscataway, New Yersey. 0885. [2] Garcia, S. y otros; Problemas de electrónica; Ed. Marcombo.1990. [3] Allan R. Hambley; Electronics a top-down approach to computeraided circuit desing. Mc Millan Publishy Company. [4] Savan, Roden, Carpenter; Diseño electrónico. Ed. Addison-Wesley Iberoamericana. [5] Aguilar Peña, J.D; Amplificadores de Potencia, Teoría y problemas. Ed. Paraninfo.
[6] Gray P.R., Meyer R.G.; Análisis y diseño de Circuitos integrados analógicos. Prentice Hall. [7] Rashid, M.H. ; Circuitos Microelectrónicos "Analisis y Diseño".Ed. Thomson.
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