amplificadores

Push-Pull Distorsion Darlington Realim. Monofuente Puente Zobel

Tema 8: Amplificadores de potencia para audiofrecuencia.

Gustavo Camps-Valls†

†Dept. Enginyeria Electronica. Universitat de Valencia. [email protected], http://www.uv.es/gcamps


Situacion y escenario:

Ya conocemos los elementos basicos para una amplificacion de la senal enclase A.Hemos visto tambien los elementos para corregir problemas como lasaturacion de los transistores, deriva termica, adaptacion de impedancias yrealimentacion.Todos estos conceptos son esenciales para conseguir buenos amplificadoresde potencia.

Que veremos en este tema:

Analizaremos y disenaremos amplificadores de potencia basicos para audio.

Nos centraremos en amplis en clase B (contrafase) y clase AB(complementarios en contrafase).

Veremos como reducir la distorsion (de cruce).

Analizaremos los problemas (y soluciones) de la disipacion de potencia ycalor.Veremos como adaptar corregir inestabilidades debidas al altavoz.


Contenidos1 Etapa de potencia en contrafase (push-pull) sin transformador de salida

Esquema y funcionamiento basicoPotencia disipada

2 Distorsion de cruceIntroduccionMetodos de eliminacion de la distorsion de cruce

3 Etapas de potencia en configuracion Darlington4 Etapa de realimentacion

Esquemas de realimentacionAmplificador cuasi-simetrico con transistores bipolaresAmplificador para cascos con BJTs y operacional

5 Amplificadores con una sola fuente de alimentacionEsquema basico: analisis y disenoEjemplo

6 Amplificadores en puenteEsquema basico y funcionamientoEjemplos

7 Red de ZobelPropiedades y utilidadEcuaciones de diseno

8 Referencias


Introduccion

Una de las aplicaciones mas importantes de la realimentacion negativa seda en el diseno de amplificadores para audiofrecuencia, donde uno de losrequisitos principales es la baja distorsion.

Un amplificador de potencia para audio consta fundamentalmente de dospartes: una etapa de salida de potencia y un sistema de realimentacionnegativa.


Esquema y funcionamiento basico

Esquema basico y consideraciones preliminares

+

-

Vg

+

-

+VCC

+

-

-VCC

RL

Q1

Q2

0

Figura: Etapa de potencia con dos BJT complementarios en contrafase.

Esta configuracion exige:1 Simetrıa total en cuanto a que los dos transistores tengan la misma β;2 Cuando no hay senal de entrada, no debe haber senal de salida;3 La tension colector-emisor de los dos transistores sera igual a VCC

(funcionamiento en clase B).


Esquema y funcionamiento basico

Funcionamiento basico

Con senal de entrada no nula, la tension de salida tampoco lo es, y circulacorriente por RL (resistencia del altavoz, 4Ω u 8Ω).

A partir de +0,7V, Q1 conduce y Q2 se encuentra en corte.

En los ciclos negativos ocurre lo contrario, por lo que cada BJT trabajaunicamente en un ciclo.

La potencia maxima de salida se logra cuando I0 = VCCRL

y, por tanto, la

potencia media suministrada por el amplificador a la carga es:

PL = (I0)2ef RL =

V 2CC

2RL.


Potencia disipada

Potencia maxima disipada

La potencia consumida por uno de los transistores no puede superar lahiperbola de maxima disipacion de potencia.

Condicion de maxima potencia en la carga: cuando la hiperbola de maximadisipacion y la recta de carga son tangentes.

VCE

VCC/RL

VCC/2

VCC/(2RL)

IC

Q

Tangencia

Figura: Punto Q de los transistores.

Si la maxima potencia que puede soportar cada transistor es PC , lapotencia maxima entregada a la carga es PL = 2PC .


Potencia disipada

Maxima potencia en push-pull

Para disenar un amplificador de 50W es necesario emplear dos transistorescomplementarios capaces de soportar una potencia de al menos 25W cada uno.

“One minute paper”

VCE

VCC/RL

VCC/2

VCC/(2RL)

IC

Q

Tangencia

Figura: Punto Q de los transistores.

Demostrar que esta condicion de tangencia se da cuando V 2CC = 4RLPC , es

decir, se debe cumplir VCC ≤ 2√

RLPC .

Teneis 5’. Premio al primero: 0.01 puntos.


Introduccion

Distorsion de cruce

Problema: la distorsion de cruce se debe a que los BJT comienzan aconducir solo cuando la tension base-emisor supera, aproximadamente, los0,7 V (0,3 V, si son de germanio).

0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms 4.5ms 5.0ms Time

V(Salida)

1.0V

0V

-1.0V

V(Entrada)

2.0V

0V

-2.0VSEL>>

Figura: Entrada y salida de una etapa de potencia complementaria basica,mostrando la distorsion de cruce.


Introduccion

Distorsion de cruce (cont.)

A

BD188Q2

BD187Q1

+

-

20VVEE

+ -

VCC

20V

RL8

Rg

1k

+

-

Vg

0

0

0

0

Salida

Entrada

2Vp; 1kHz

0Hz 1KHz 2KHz 3KHz 4KHz 5KHz 6KHz 7KHz 8KHz 9KHz 10KHz Frequency

V(Salida)

600mV

500mV

400mV

300mV

200mV

100mV

0V

Figura: (a) Etapa sencilla en contrafase donde se produce distorsion de cruce. (b)Espectro de la senal distorsionada. El pico mas alto corresponde a la senal sindistorsion (armonico fundamental) y los picos restantes a 3 kHz, 5 kHz, 7 kHz, etc.representan la distorsion.


Metodos de eliminacion de la distorsion de cruce

Eliminar la distorsion de cruce (Metodo 1)

Un metodo consiste en utilizar diodos que compensan los 0,7 V y ponen alos transistores de potencia a punto de conducir

Dos inconvenientes:1 Puede que la tension de polarizacion suministrada por los diodos sea

excesiva y que la corriente de reposo (ausencia de senal de entrada) no seanula → Deriva termica y la corriente puede quemar los BJTs.

2 El uso de diodos limita la maxima tension de salida de la etapa de potenciasin distorsion, y esto obliga a calcular cuidadosamente las resistencias enserie con los diodos.




RL

+VCC

-VCC

Q1

Q2

RD

RD

VE VS=VE

IR

ID

IB

RL

+VCC

-VCC

Q1

Q2

Figura: (a) Circuito basico de una etapa de potencia con dos BJT complementarios encontrafase y circuito de polarizacion con diodos. (b) Una corriente de reposo excesivapuede originar una deriva termica destructiva a traves de los transistores de potencia.



Analisis del circuito

La tension instantanea de entrada y la de salida son iguales, debido a lastensiones de los diodos de polarizacion. La corriente que pasa por un diodoes:

ID = IR − IB

Cuando la corriente ID = 0 el diodo es un circuito abierto y el amplificadordeja de funcionar normalmente. La condicion lımite es, por consiguiente:

IR = IB

Es decir,VCC − (VS + 0, 7)

RD=

VS

βRL

De aquı puede despejarse el valor de la resistencia RD para una salidamaxima, VS , dada:

RD = βRLVCC − 0, 7− VS

VS



Ejemplo

Para VCC = 20 V, VS = 18 V, β = 150 y RL = 8 Ω, se obtiene RD = 86 Ω.

Hay que cuidar la corriente maxima que atraviesa los diodos para que lapotencia consumida en ellos no exceda los lımites fijados por el fabricante.

Efecto de la polarizacion con diodos sobre la distorsion de cruce:

0s 1.0ms 2.0ms 3.0ms 4.0ms 5.0ms 6.0ms Time

V(Salida)

10V

5V

0V

-5V

-10V

Figura: La distorsion de cruce desaparece gracias al circuito de polarizacion condiodos, pero hay un riesgo de deriva termica destructiva.



Recordar

La eliminacion de la distorsion de cruce siempre entrana el riesgo de derivatermica destructiva.

Casi siempre suelen conectarse sendas resistencias en los emisores de lostransistores para tener algo de regulacion y limitacion de corriente.

Dichas resistencias tienen valores tıpicos de 0,25 Ω a 1 Ω.




Tambien pueden colocarse los diodos en contacto directo, aunque aisladoselectricamente, con los radiadores de los transistores de potencia.

Esto mejora el control de la deriva termica ya que la tension VBE de losdiodos disminuye al aumentar la temperatura y esto hace que la corrientede colector de los transistores tienda a disminuir ante un calentamientoexcesivo.Un metodo interesante de polarizacion consiste en sustituir los diodos porresistencias, formando divisores de tension que generen la tension necesariade 0,7 V para el arranque de los transistores.

R35k

R4180

R5180

R25k

Q1BC369

BC548AQ2

+

-

20VVEE

8R1

+

- 20V

VCC

+

-

Vg

R91

R81

0

0

0

Entrada Salida

19Vp; 1kHz

Figura: Polarizacion conresistencias.

Alguna de las resistencias R4 o R5

pueden ser de tipo NTC, es decir,resistencias de coeficiente detemperatura negativo.

“Si aumenta la temperatura y las NTCestan en contacto termico con lostransistores de potencia, ante unaumento de temperatura disminuyen suvalor y, por lo tanto, disminuye latension de polarizacion de las bases,con lo cual se frena la deriva termica.”




Utilizar un transistor y dos resistencias (o mejor un potenciometro).

R1

R2

I0

I0

IDIV VCE

0,7V

Figura: Circuito de polarizacion ajustable. R1 y R2 son un potenciometro.

Diseno: se toma la corriente IDIV unas diez veces mayor que la corriente debase del transistor, con lo que esta corriente puede considerarse nula.

Ademas si la tension base-emisor es de ∼0,7 V:

IDIV =0, 7

R2=

VCE

R1 + R2−→ VCE =

(1 +

R1

R2

)· 0, 7

Este circuito de polarizacion permite ajustar perfectamente la polarizacionsin que se produzca deriva termica, variando de forma continua ladiferencia de potencial entre las bases de los transistores de potencia.



Funcionamiento

Puede eliminarse por completo la distorsion de cruce.

Para ello se hace R1 = 0 (o se pone el cursor del potenciometro en elcolector del transistor), con lo cual la tension entre bases es de solo 0,7 V.

A continuacion se conectan las alimentaciones, se conecta un amperımetroen serie con una de las fuentes y se introduce una senal alterna en laentrada del amplificador.

Se conecta un osciloscopio a la salida del amplificador y se observa ladistorsion de cruce.A continuacion se va bajando poco a poco el cursor del potenciometrohacia el emisor del transistor de polarizacion, vigilando atentamente lacorriente que suministra la fuente mediante el amperımetro



Funcionamiento (cont.)

Progresivamente va desapareciendo la distorsion, pero aumenta el riesgode deriva destructivaSi se aprecia un aumento de la corriente de la fuente de alimentacion, hayque subir el potenciometro hacia el colector, aunque a veces es demasiadotarde y los transistores de potencia quedan danados (o quemados).

Si el ajuste se hace cuidadosamente, el amplificador de potencia quedatotalmente optimizado.

En ocasiones se coloca el transistor de polarizacion en contacto fısico conel radiador de los transistores de potencia. Si hay un calentamientoexcesivo, la tension de polarizacion disminuye evitando riesgos de deriva.

Q3BD441

BD442Q2

8RL

BD441Q1

100R3

400R4

200

R1

200

R2

1RE1

1RE2

+ -

20VVCC

+-

VEE20V

+

-

Vg

0

0

0

0

Salida

Entrada

12Vp; 1kHz

0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms Time

V(Salida)

12V

8V

4V

0V

-4V

-8V

-12V

Figura: (a) Amplificador de potencia con polarizacion ajustable y (b) su salida.



Funcionamiento

Para calcular I0 se debe hacer esta corriente mucho mayor que la corrientede base de los transistores de potencia.

En la practica suele ser suficiente con tomar I0 el doble de la mayorcorriente de base, es decir:

I0 =2VCC

βRL

Por otra parte, se puede calcular R0 haciendo: R0 = VCC/I0.

R1

R2

I0

I0

R0

R0

IB

IC

VE

VS

+VCC

-VCC

ILmáx=VCC/RL

RL

Figura: Calculo de I0.


Configuracion

En muchas ocasiones se deben emplear etapas de potencia conconfiguraciones Darlington (sobre todo para alta potencia).

Una de las etapas mas usadas consiste en una configuracion Darlingtonnormal y una complementaria (circuito cuasi-simetrico).

Tambien se puede utilizar una etapa de potencia simetrica.

+VCC

-VCC

salida

entrada

+VCC

-VCC

salida

entrada

RL

Figura: Etapa de potencia (a) cuasi-simetrica y (b) simetrica.

Tanto en una etapa como en la otra es siempre imprescindible conectarresistencias de bajo valor (pero de potencia suficiente) en serie con losemisores de los transistores de potencia, para evitar derivas.


Configuracion (cont.)

De igual forma se suelen conectar resistencias entre la base y el emisor deltransistor de la derecha de la configuracion Darlington para conseguir unacorriente aceptable en el transistor de la izquierda.

220R4

10u

C1

Q5Q2N2222

1kR1

BD441Q1

Q3BD441

680R7

1kR2

+ -

30V

VEE

+

-

30VVCC

390R3

BD442Q2

.5R6R8

680

R5.5

RL8

BD442Q4

+

-

V1

0

0

0

Entrada

Salida

Figura: Una etapa de potencia de 40 W con estructura simetrica.


Analisis: respuesta en frecuencia, impedancia de entrada, salida

1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz FrequencyV(Salida) / V(Entrada)

1.0

100m

10m

1.0m1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz

FrequencyV(Entrada) / I(C1)

100K

10K

1.0K

100

10

(12.235K,493.634)

Figura: (a) Respuesta en frecuencia y (b) impedancia de entrada de la etapa depotencia.

0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms 4.5ms 5.0ms TimeV(Salida)

30V

20V

10V

0V

-10V

-20V

-30V

Figura: Senal de salida de la etapa de potencia sobre 8 Ω.


Etapa de potencia con realimentacion

Los amplificadores de potencia normalmente estan realimentados.

Se disminuye drasticamente la distorsion y el ruido, ası como para fijarbien los puntos de operacion del amplificador en su conjunto.

La realimentacion negativa puede realizarse mediante un amplificadordiferencial o mediante un operacional, que es basicamente lo mismo peroque dota al sistema de mayor calidad.

Este tipo de realimentacion puede ser de tension o de corriente, siempresensando la tension de salida.En esencia siempre se trata de intercalar una etapa de potencia en el lazode realimentacion de un sistema realimentado de los que ya hemos vistoanteriormente.


Esquemas de realimentacion

Sistema realimentado tipo I

DiferencialAD

Etapa depotencia

AP=1

R1R2

v1

v2

RL

+

-

Figura: Amplificador con el mismo factor de realimentacion en continua que en alterna

La realimentacion no depende de f y la ganancia tras realimentar es:

A =AD

1 + ADH0, H0 =

R2

R1 + R2

Si el factor de realimentacion es mucho mayor que la unidad, la gananciadel amplificador de potencia se puede escribir:

A ∼=1

H0= 1 +

R1

R2



Sistema realimentado tipo II

Diferencial AD

Etapa de potencia

AP=1

R1 R2

v1 v2

RL

C

+

-

Figura: Amplificador con factor de realimentacion distinto en continua que en alterna(la ganancia en continua es la unidad).

La realimentacion en continua es H0 ≈ 1, ya que la impedancia delcondensador es infinita.A frecuencias normales, la impedancia del condensador es practicamentecero, y la ganancia es la misma que antes.

El condensador da lugar a una frecuencia inferior de corte que puedecalcularse con facilidad si suponemos un factor de realimentacion grande.



Sistema realimentado tipo II (cont.). Analisis

La ganancia total viene dada por:

A = 1 +Z1

Z2=

(R1 + R2)Cp + 1

R2Cp + 1

donde Z1 = R1, Z2 = R2 + 1Cp

.

Diagrama de Bode con los parametros:

f1 =1

2πR2C, f0 =

1

2π(R1 + R2)C, A(∞) = 1 +

R1

R2, A(0) = 1

|A|

f

f0 f1

Figura: Efecto del condensador C en la respuesta en frecuencia.



Sistema realimentado tipo III

C1

R1

Diferencial Ad

R2

C2

Etapa de potencia Ap=1

RL

Figura: Circuito realimentado. Frecuencia inferior y superior de corte definidas.

La frecuencia inferior de corte y la frecuencia superior de corte vienendadas, con muy buena aproximacion, por las expresiones:

f1 =1

2πR1C1, f2 =

1

2πR2C2


Amplificador cuasi-simetrico con transistores bipolares

Ejemplo

+ -

VEE

30V

1.5uFC3

2.2kR5

R91

BC548A

Q5

+-

VCC

30V

BD441Q3

2N3055Q8

330kR1

BD442Q4

56k

R6

15kR13

100nF

C1 820pF

C2

+

-

Vg

12kR3

33R17

680R14

10kR15

BC548A

Q6

8RL

1R10

BD442Q7

2N3055Q9

D1N4148D2

680

R7

150k

R16

D1N4148D3

47R18

330kR2

0

0

0

0

0

Entrada

Salida1Vp; 1kHz

17Hz--26kHz14W; 1kHz; 0,7% dist.

Figura: Ejemplo de amplificador de potencia realimentado.



Ejemplo


100

10

1.0

100m

10m

1.0m0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms 4.5ms 5.0ms

TimeV(Salida)

20V

10V

0V

-10V

-20V

Figura: (a) Respuesta en frecuencia y (b) salida sobre 8 Ω.



cont.

El condensador C2 (820 pF) se conecta en el amplificador para disminuir laganancia a frecuencias altas.

Esta ganancia pudiera dar lugar a inestabilidades.

Por otra parte, el espectro de audio no llega mucho mas alla de 20 kHz,por lo que es recomendable la utilizacion de C2.

Para analizar el efecto producido por este condensador nos referiremos alcircuito de alterna:

+

-

C

R1

R2Q

v1

v2

vb

Figura: Utilizacion de realimentacion negativa para disminuir la ganancia afrecuencias altas.



cont.

Se cumple:vb − v1

R1+ Cp(vb − v2) + ib = 0

Por otra parte:

(vb − v2)Cp = βib +v2

R2, vb = ibβrd

Eliminando ib y vb, se obtiene, para β 1:

A(p) ≡ v2

v1= A0

1− pωS

1 + pωB

,

con ωS = 1rdC

, y ωB = R1+βrdβ[R1R2+rd (R1+R2)]C

Para p = 0: A0 = − βR2βrd+R1

La frecuencia superior de corte es f2 = βrd+R12πβC [R1R2+rd (R1+R2)]



cont.

La respuesta en frecuencia es:

|A|

f f2

Figura: Respuesta en frecuencia (Bode) del amplificador.

El condensador C3 del esquema se calcula teniendo en cuenta lasexpresiones anteriores para una frecuencia de 10 Hz.


Amplificador para cascos con BJTs y operacional

Esquema y funcionamiento

Amplificador de poca potencia y buena calidad para cascos.

Los transistores con el colector y la base unidos se usan como diodos paradisminuir la distorsion de cruce.El condensador C1 mantiene constante la tension de polarizacion entre lasbases ante variaciones rapidas de la corriente.

La resistencia R3 esta en serie con la salida para limitar la potencia en loscascos y para evitar problemas ante un accidental cortocircuito.

BD185Q2

+ -

V1

BD186Q3

+-

V2

BD185Q5

BD186Q4

+3

-2

V+8

V-4

1TL082

U1A

22uF

C1

10k

R5

10k

R4

R822k

1uF

C3

560

R7C2

100uF

RL

32

+

-

V3

12k

R6

2.2R2

R12.2

22

R3

C5

265p

0

0

0

0 0

EntradaSalida

d=0,024%; 1W; 1kHzAmplificador para cascos.

0,6Vp; 1kHz

Figura: Amplificador para cascos.




La alimentacion maxima es de 18 V cada fuente.La potencia maxima de salida en corto es de unos 6 W, de manera que R3

tiene que estar preparada para consumir esta potencia sin quemarse encaso de un cortocircuito en la salida del amplificador.

La potencia maxima en los cascos, suponiendo que su impedancia sea de32 Ω, es de 1,5 W.

El condensador C2 y la resistencia R7 originan una frecuencia inferior decorte de 2,8 Hz

El condensador C3 y R8 dan lugar a una frecuencia inferior de corte de 7Hz.Para obtener esta frecuencia se aplica la formula siguiente (ver libro [1],cap.8):

f =

√0, 5 · [f 2

1 + f 22 +

√f 41 + f 4

2 + 6f 21 f 2

2 ]

Ası, la frecuencia inferior de corte total es de 7,93 Hz.




La resistencia R6 y C5 limitan la frecuencia superior de corte a 603 kHz.

0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0ms 4.5ms 5.0ms TimeV(Salida)

8.0V

4.0V

0V

-4.0V

-8.0V1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz

FrequencyV(Salida) / V(Entrada)

100

10

1.0

100m

10m

1.0m

Figura: (a) Salida y (b) respuesta en frecuencia del amplificador para cascos.

La distorsion armonica total es de solo 0,024 % a 1 W y 1 kHz.

La impedancia de entrada es de 22 kΩ; puede cambiarse, si se considerademasiado pequena.


Esquema basico: analisis y diseno

Diseno con una unica fuente

En muchas ocasiones interesa disenar amplificadores que utilicensolamente una fuente de alimentacion.Tareas: (i) cambiar el origen de potenciales del esquema realizado con dosfuentes sumando VCC voltios en todos los nudos, (ii) anadir las resistenciasde polarizacion necesarias y (iii) los condensadores que hagan falta parabloquear la tension continua.

2Vcc

0

0 000

-

+

RL

C2

R

R

C1

-

+

Q1

Q2

- + + -VccVcc

Figura: Circuito basico de una etapa de potencia con dos BJT complementariosen contrafase y una sola fuente de alimentacion.


Esquema basico: analisis y diseno

Analisis

La tension de salida contiene ahora una componente continua de VCC

voltios (la mitad de la fuente unica de alimentacion).

Esta componente continua debe ser eliminada para que no pase por lacarga (altavoz) mediante un condensador de gran capacidad.

Para un altavoz de 8 Ω y una frecuencia de corte de 20 Hz, se obtiene:

C2 =1

2π · 20 · 8 = 994 µF

Por otra parte, deben conectarse las dos resistencias R para conseguir VCC

voltios en la entrada.Esta tension continua en la entrada tambien se debe bloquear mediante elcondensador C1.


Ejemplo

Ejemplo

Realizacion con MOSFET.

Realimentacion con amplificador diferencial.

1kHzd=0,17% a 14W, 64kHz22Hz-

1Vp; 1kHz

A=18

Amplificador de 20W.

Salida

Entrada

0

0

0

0

0

Vcc50V

-

+

R10100k

V4

-

+

Q2MPSA06

C16.8u

R93.3k

R332k

R210k

C2

330n

C5

1.2mF

R8

56k

3.3kR4

R122k

8RL

R12100k

R61.3k

R7

100

C4 1n

Q3MPSA56 MPSA56

Q4

BC547A

Q1

M2IRF9532

IRF520M1

Figura: Amplificador de 20 W con una sola fuente de alimentacion y MOSFET.


Ejemplo

Ejemplo


100

10

1.0

100m

10m1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz


1.0M

100K

10K

1.0K

Figura: (a) Respuesta en frecuencia y (b) impedancia de entrada.


Esquema basico y funcionamiento

Esquema y funcionamiento

Para conseguir potencias mayores se puede utilizar un amplificador enpuente (lo probaremos en el laboratorio).

Esta estructura esta formada por dos etapas de potencia iguales excitadaspor sendas senales en oposicion de fase, con la carga conectada entre lasdos salidas.

RL

R

R

Pot. Pot.

v1

v1

-v1

v1 -v1

Figura: Amplificador en puente.

Con una unica etapa la tension de salida es v1.

Con las dos etapas en puente la salida es el doble (v1 – (–v1) = 2· v1).

Al ser la potencia proporcional al cuadrado de la tension, la potencia delamplificador en puente es cuatro veces mayor que la de una de las etapas.


Ejemplos

Ejemplo 1

Para un amplificador alimentado con 12 V, por ejemplo, la potenciamaxima sobre 4 Ω es de 4,5 W.

Con un amplificador en puente se tendrıa una potencia maxima de 18 W.

Ejemplo 2

-2

+1

4V+

5

V-

3OPA544/BB

U1

47k

R2

47k

R7

R3

680k

R6

680k+-

30V

V3

+ -

30V

V1

+-

V2

30V+ -

V4

30V

R1

8

- 2

+ 1

4V+

5

V-

3

OPA544/BB

U2

47kR5

C1

180n+

-

V5

R447k

0

00

0 0

0

0

SAL2SAL1

Entrada

P=60W

Ze=47kTHD=0,02%

1Vp; 1kHz

Figura: Amplificador en puente con amplificadores operacionales de potencia.


Ejemplos

Caracterısticas RF del amplificador en puente

1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz Frequency( V(Sal2)- V(Sal1))/ V(Entrada)

100

30

10

3.0

1.01.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz


1.0M

300K

100K

30K

10K

Figura: (a) Respuesta en frecuencia e (b) impedancia de entrada.

0s 1.0ms 2.0ms 3.0ms 4.0ms 5.0ms 6.0ms TimeV(Sal2)- V(Sal1)

40V

20V

0V

-20V

-40V

Figura: Salida del amplificador en puente.


Propiedades y utilidad

Propiedades y utilidad

En algunas ocasiones la componente inductiva del altavoz puede ser causade inestabilidades en el funcionamiento de un amplificador de potencia.

Para eliminar la componente inductiva del altavoz y, por consiguiente, lasposibles inestabilidades, se utiliza la llamada red de Zobel.

Dicha red consiste simplemente en una resistencia y un condensadorconectados en serie.Este conjunto se conecta en paralelo con el altavoz:

altavozred de Zobel

LA

RA

R

C

Figura: La red de Zobel elimina la componente inductiva del altavoz.


Ecuaciones de diseno

Diseno de la red de Zobel

La impedancia del conjunto formado por la red de Zobel y el altavoz es(teneis 5’ para hacerlo, 0.01 puntos):

Z(p) = RA

LARCRA

p2 +(RC + LA

RA

)p + 1

LACp2 + (RA + R) Cp + 1

Se eligen los componentes de la red de Zobel de forma que se cumpla:

LARC

RA= LAC , RC +

LA

RA= (RA + R)C

es decir R = RA y C = LA

R2A

Ası, la impedancia conjunta del altavoz y la red de Zobel se reduce aZ(p) = RA, con lo que eliminamos la parte inductiva del altavoz.


Ecuaciones de diseno

Diseno de la red de Zobel (cont.)

|IZ|

f

f

|IA|

f0

VReff

VR

eff

A

Figura: Corrientes eficaces en la red de Zobel y en el altavoz, para una tension comundada.

Analizar Z del altavoz y la red de Zobel por separado.

La frecuencia f0 = RA2πLA

= 12πRC

.

Para C = 100 nF y R = 8Ω, se tiene f0 = 198 kHz.


Referencias

“Fundamentos de Electronica Analogica”Jose Espı Lopez, Gustavo Camps-Valls, y Jordi Munoz-MarıSPUV - Universidad de Valencia. 1a edicion, 2006. TEMA 8

“Electronica Analogica. Problemas y Cuestiones”Jose Espı Lopez, Gustavo Camps-Valls, y Jordi Munoz-MarıPrentice Hall, Serie Prentice/Practica. 1a edicion, 2006. TEMA 6

“Circuitos Microelectronicos. Analisis y Diseno”Muhammad H. Rashid. Ed. Thomson. 1a edicion, 2002. TEMA 14

Diseno: http://www.transim.com/champion/design tools.html

Amplificadores de audio en clase D: http://www.class-d-amplifier.nl

Enlaces de audio: http://www.aussieamplifiers.com/

¿Y ahora que?

Los proximos dıas haremos ejercicios en clase de los boletines.

Teneis una serie de proyectos propuestos/tutelados (0.05 - 0.1 puntos).

http://www.transim.com/champion/design_tools.html

http://www.class-d-amplifier.nl

http://www.aussieamplifiers.com/

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