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Diseño y análisis de un
amplificador de potencia
Amplificador de potencia de 10W
Información teórica preliminar
Amplificador operacional
Los amplificadores operacionales son dispositivos activos y lineales de alta ganancia que cuentan con una entrada inversora, una entrada no inversora y una salida. La salida es la diferencia de las entradas multiplicada por una ganancia definida según la configuración utilizada. Estos amplificadores pueden ser alimentados con una fuente positiva y una negativa, permitiendo obtener resultados por encima y por debajo del punto de referencia en la salida.
Los amplificadores operacionales se caracterizan por su respuesta a las señales que se les introducen externamente, llegando a obtener resultados en frecuencia, cambios de fase y alta ganancia, presentando una impedancia de entrada muy grande y una muy baja en la señal de salida.
Amplificador operacional inversor
El amplificador operacional inversor debe su nombre a que la señal de salida es inversa a la entrada, es decir, se desfasa 180° con respecto a la de entrada. La amplitud de la señal de salida puede ser mayor, igual o menor, dependiendo de la ganancia que se le determine. Para una tensión positiva en DC la convierte negativa y viceversa, variando también la amplitud de esta con respecto a la ganancia determinada.
La ganancia del amplificador operacional inversor se puede determinar mediante un análisis nodal:
Av = -R2/R
Es adecuado colocar una resistencia de pull up entre la entrada no inversora del operacional y tierra para que esta no quede en un estado flotante y evitar que se provoque una distorsión en la señal de salida.
Configuración Darlington
La configuración Darlington consiste en conectar dos transistores bipolares en cascada con el fin de obtener una ganancia de corriente mucho mayor. La corriente entregada por el emisor de T1 irá a la base de T2, el cual amplifica aún más la corriente. La ganancia total de corriente con respecto a la que
entra por la base de T1 será el producto de los beta de ambos transistores, obteniendo así un super beta para la ganancia.
Ac = (βT1)(βT2) = βsuper
La corriente de salida estará determinada por: IE2 = IB1* βsuper
Configuración Push Pull
La configuración Push Pull se encarga de amplificar potencia, esto debido a que utiliza 2 grupos de transistores (npn y pnp), en donde cada uno se encarga de amplificar una sola fase de la onda de entrada.
Cuando uno de los dos transistores entra en funcionamiento, el otro estará en corte, esto debido a que el npn solo recibirá la fase positiva de la onda y el pnp la fase negativa. En esta configuración, la tensión de la señal de salida tiene casi la misma amplitud que la de la señal de entrada, ya que la onda de salida se puede distorsionar un poco, y se debe a la caída de tensión de 0.7 voltios del diodo (de silicio) del transistor.
Desarrollo de la práctica
En la primera etapa se utilizó la configuración inversora del amplificador operacional, otorgándole una ganancia de 39 en tensión:
Av = R2/R1 = 39
La señal de entrada de 200 mVrms a 2 kHz se amplificó a 11.03 Vpk en la salida de esta primera etapa.
Para la segunda etapa se utilizó la configuración Push-Pull con Darlington para obtener una ganancia de corriente mucho mayor. La amplitud de la tensión se verá reducida en 1.4V tanto en la fase negativa como positiva, debido a los diodos internos de los transistores pnp y npn respectivamente, lo que provoca que su ganancia en tensión será ligeramente menor a uno para una señal grande, lo que es normal en esta etapa al ser clase B, pero la ganancia en corriente es bastante significativa.
La ganancia de los transistores 2N3904-06 es de 100 según el datasheet, y la de los TIP puede variar entre 20 y 50. Tomando un valor intermedio de 35, se obtiene un βsuper = 3500.
La corriente de salida calculada fue de 0.98A, mientras que en la simulación se obtuvo 0.77A. Esta diferencia se debe a que en la simulación, al igual que en los cálculos, el beta de los transistores varía.
La potencia de salida obtenida fue de 9.5Wpk = 6.7Wrms.
La ganancia total de tensión del circuito está determinada por el producto de la ganancia de ambas etapas: AVTOT = (39)(0.87) = 33.93.
en DC y AC de las etapas separadas que lo componen, para así formar este amplificador tipo AB. Los datos teóricos obtenidos mediante cálculos no varían de forma significativa con respecto a los datos obtenidos en simulación y en la práctica, medidos con multímetro y osciloscopio. La única variación observada es que los valores de beta de los transistores cambian en los datos teóricos, simulados y prácticos, pero los datos resultan ser similares en general.
Amplificador Operacional en la Primera Etapa
El amplificador operacional fue necesario en la primera etapa ya que permite amplificar señales sin necesidad de utilizar acoplamientos, llegando a tener ganancias mayores dependiendo de las resistencias que estén conectadas a este.
Configuración de Transistores para Mayor Ganancia de
Corriente
Se aprendió que una mejor configuración para tener más ganancia de corriente es juntando dos transistores en cada etapa de la amplificación de corriente de una onda alterna, para obtener mejores resultados en la salida de esta etapa.
Amplificación de Tensión con Amplificador Operacional
Por otro lado, para amplificar tensión de una onda alterna con un amplificador operacional resulta ser muy efectivo, debido a las grandes ganancias que este puede proporcionar, dependiendo de su capacidad, su fuente de alimentación y las resistencias utilizadas.
Referencias
[1] Amplificadores Operacionales. (2013). [2] Transistores bipolares. (2013). Recuperado de: https://www.hispavila.com/transistores-bipolares/ [3] Distorsión de cruce por cero. Recuperado de: https://es.wikipedia.org/wiki/ Distorsi%C3%B3n_de_cruce_por_cero [4] Amplificadores de potencia. Louis Nashelsky y Robert L. Boylestad. "Theory of circuits and electronic devices", Ed. [6] Simulador Proteus, versión 8.0 Professional – Schematic Capture.
