Apuntes De Mecanica
elizagarciagaray16 de Febrero de 2015
3.000 Palabras (12 Páginas)276 Visitas
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES
Y DE TELECOMUNICACIÓN
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA
INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA DE COMUNICACIONES
(5º Curso Ingeniería de Telecomunicación)
Tema V:
Amplificadores de potencia.
José María Drake Moyano
Dpto. de Electrónica y Computadores
Santander, 2005
Contenido:
V.1 Clasificación de las etapas de potencia.
V.2 Modelo térmico de un dispositivo electrónico.
V.3 Etapas de potencia clase A.
V.4 Etapas de potencia clase B.
V.5 Amplificadores de potencia integrados.
CAPITULO 5
AMPLIFICADORES DE POTENCIA
______________________________________________________________________
5.1 CLASIFICACIÓN DE LAS ETAPAS DE POTENCIA.
Los transistores y amplificadores integrados que se utilizan para procesar señales son de
baja potencia y solo tienen capacidad de generar en su salidas tensiones en el rango de
voltios, proporcionar intensidades en el rango de los miliamperios, y en consecuencia,
transferir a las cargas conectadas a su salida, potencias en el rango de miliwatios o décimas
de watios.
En muchas aplicaciones dentro de los sistemas de instrumentación, tales como en el
control de pequeños motores, en el gobierno de sistemas de altavoces, etc., se necesitan
proporcionar potencias en el rango de las decenas o centenas de watios, y para conseguirlo
se requiere utilizar amplificadores de media potencia.
Un amplificador de potencia es aquel cuya etapa de salida se ha diseñado para que sea
capaz de generar uno rangos de tensión e intensidad mas amplios de forma que tenga
capacidad de transferir a la carga la potencia que se requiere. Cuando se diseñan utilizando
amplificadores operacionales, un amplificador de potencia consiste en una etapa de baja
potencia basada en un amplificador operacional, a la que se dota de una etapa (interna o
externa) de potencia, con ganancia reducida, (habitualmente 1) pero con capacidad de
suministrar las intensidades que se necesitan. Para seguir manteniendo los beneficios de la
realimentación, la etapa de potencia debe estar incluida dentro del bucle de realimentación.
El amplificador operacional proporciona la alta ganancia que se necesita en el bucle de
realimentación para reducir la no linealidad y distorsión que introduce la etapa de potencia.
Sin embargo, en estas configuraciones, la posible ganancia extra de la etapa de potencia, y
las cargas reactivas, introducen nuevos problemas de estabilidad.
-
Amplificador
operacional
vi
+
Etapa de
potencia
vo
En este tema solo se tratan etapas de media o baja potencia, para baja frecuencias,
realizables mediante circuitos con dispositivos semiconductores y sin la utilización de
transformadores. No obstante, los problemas que se plantean son similares a los que se
presentan en alta frecuencia, o para potencias más altas.
Las etapas de potencias se clasifican en función del punto de trabajo en que se polarizan
los dispositivos de potencia, y en la fracción del ciclo de señal durante las que
conducen, como consecuencia de ello.
Etapa clase A: El dispositivo se polariza en una zona de respuesta lineal, con capacidad de
responder a señales de cualquier polaridad. Su principal ventaja es que sigue un
modelo de amplificador lineal convencional. Su desventaja es que aún con señal
nula disipa una cantidad considerable de potencia.
Etapa clase B: El dispositivo se polariza en el extremo de la zona de respuesta lineal, y en
consecuencia sólo tiene capacidad de responder a señales con una determinada
polaridad. En estas etapas no se produce disipación de potencia cuando la señal es
nula, pero requiere la utilización de etapas complementarias para pode generar
una respuesta bipolar.
Etapa clase AB: El dispositivo se polariza en la zona lineal pero en un punto muy
próximo al extremo de respuesta lineal. Esta configuración es una variante de la
etapa de tipo B en la que se sacrifica la disipación de una pequeña cantidad de
potencia cuando opera sin señal, a cambio de evitar la zona muerta de respuesta.
Etapa clase C: El dispositivo se polariza en zona de respuesta no lineal, de forma que los
dispositivos activos sólo conducen en una fracción reducida del periodo de la
señal. De esta forma se consiguen rendimientos máximos, aunque se necesitan
elementos reactivos que acumulen la energía durante la conducción y la liberen
en el resto del ciclo en el que el dispositivo no conduce. Se puede utilizar para
amplificar señales de banda muy estrecha.
5.2 MODELO TÉRMICO DE UN DISPOSITIVO ELECTRÓNICO.
El límite de la potencia que puede proporcionar una etapa de salida, viene establecida por
el límite de la temperatura que se puede alcanzar en los puntos interiores de los
dispositivos que transfieren la potencia.
Esta temperatura, es función de la cantidad de potencia que se genera y de la capacidad de
conducción de la energía térmica hacia la fuente fría sobre la que se libera y que
habitualmente es el entorno ambiente. Este último aspecto se describe mediante el
concepto de resistencia térmica.
Se define la resistencia térmica Θ de un trozo de material, como la relación entre la
diferencia de temperatura entre los extremos del trozo, y la potencia que se transfiere por
conducción térmica.
Las temperaturas en los diferentes puntos de un dispositivo, se pueden obtener utilizando
una analogía del modelo térmico con un circuito eléctrico. En esta analogía, el papel de la
intensidades que fluyen lo juega la potencia que se trnsmite, el de las diferencias de
potencial lo juegan las diferencias de temperaturas, y el de la resistencias óhmicas lo
juegan las resistencias térmicas. Siguiendo esta analogía, la temperatura TJ en el interior de
un dispositivo que libera una potencia P, se puede calcular como
Siendo,
TJ = Temperatura interior del dispositivo.
TA = Temperatura en el aire.
TM = Temperatura en la montura del dispositivo.
P = Potencia generada por el dispositivo.
ΘJM= Resistencia térmica entre el interior y la superficie del dispositivo.
ΘA= Resistencia térmica entre la superficie del dispositivo y el aire.
Temperatura máxima interna (TJ_max). Frecuentemente el fabricante proporciona la
máxima temperatura interna del dispositivo. En estos casos la potencia máxima que puede
disipar el dispositivo será,
Potencia que fluye
= Temperatura entre los extremos
P
= T Δ
Θ
T J =T A + P ( ΘJM + ΘA )
ΘJM ΘA
J A
+
P = T - T max
max
T1
(ºC)
P (W)
Θ (ºC/W) T2
(ºC)
T2-T1= Θ P
ΘJM
TJ
P
T ΘA M
TA
Información en catálogos
de disipadores térmicos
Ejemplo:
Considérese un transistor que admite 100 ºC como temperatura máxima en su unión de
colector TJ_max, que tiene como resistencia térmica interna ΘJM = 1ºC/W, como resistencia
térmica de la oblea de aislamiento ΘI = 0.5 ºC/W y en el que la resistencia térmica de
disipación hacia el aire es ΘD = 2.5 ºC/W. La temperatura ambiente es TA= 25ºC.
La máxima potencia que es capaz de disipar el transistor es,
Determinación gráfica de la disipación de potencia de un dispositivo.
El modelo térmico de un dispositivo no siempre es tan simple como una resistencia
térmica. Los fabricantes suelen caracterizar las prestaciones límites que pueden
proporcionar un dispositivo mediante una curva o una poligonal que formula la máxima
potencia que puede disipar el dispositivo en función de la temperatura que se establece en
su carcasa externa. Esta curva puede presentar diferente formas de acuerdo con el
dispositivo que se modela.
A partir de esta curva, se puede obtener la máxima potencia disipable en un diseño
específico trazando sobre ella la recta de eliminación de potencia hacia el exterior,
= 18.75 W
1.0 + 0.5 + 2.5
= 100 - 25 Pmax
ΘJM
TJ
P
T ΘI M TA
ΘD
P (Potencia disipable)
TM (ºC)
Pmax Modelo resistencia térmica
1/ΘJM
TM max
Zona de
comportamiento
seguro
Modelo
térmico
P TM
P (Potencia disipable)
TM (ºC)
Ec. del dispositivo
P Ec. del disipador max
Tmax
P TM P
Modelo del
dispositivo
Modelo del
disipador
externo
La intersección de esta recta con la curva de máxima potencia disipable permite determinar
la máxima potencia disipable Pmax, y la temperatura TM que alcanzará la el soporte de
montaje bajo esa situación.
El mismo problema puede resolverse analíticamente, resolviendo el sistema para cada
tramo de la poligonal, y dando como resultado, aquella que proporciona una solución
compatible con el rango de validez de cada tramo.
...