Circuito Electronicos Lab. 5

2017



Analizar los filtros activos



Diseñar redes activas

I.

FUNDAMENTO TEÓRICO

Introducción: La etapa de salida de los amplificadores es la encargada de suministrar a la carga señales poco distorsionadas y con una determinada cantidad de potencia. Hasta ahora se han considerado los elementos activos (transistores) como dispositivos lineales, debido a que en pequeña señal se producen pocas variaciones alrededor del punto de trabajo. Esta situación no se produce en los amplificadores de potencia ya que éstos deben proporcionar una señal de salida grande, por lo que debe tenerse en cuenta toda la característica de transferencia. Por eso, este tipo de amplificadores se llaman también amplificadores de gran señal. Estos niveles, provocan distorsión de las señales de salida debido a la no linealidad de la relación entre la intensidad de colector i, y la intensidad de base ih: para niveles grandes de señal ic ≠ k ib. Este tipo de distorsión se denomina distorsión armónica, y como veremos más adelante, no es la única que existe en este tipo de amplificadores. Clasificación de los amplificadores de potencia Dependiendo de la situación del punto de trabajo en la recta de carga dinámica, los amplificadores de gran señal se clasifican en:

Clase A El elemento activo se polariza en el centro de la recta de carga dinámica, para obtener una excursión simétrica de la señal de salida. Esto provoca que el amplificador y, por tanto, el elemento activo disipe potencia aún en ausencia de señal de entrada, y que el rendimiento sea muy pobre.

Clase B El elemento activo se polariza justo en el corte, por lo que su consumo de potencia en reposo es nulo y su rendimiento alto. Requieren un montaje en contrafase que les proporcione capacidad de amplificación de los dos semiciclos de la señal de entrada y, además, al estar polarizados en el corte introducen un tipo de distorsión asociada con el circuito de entrada llamada distorsión de cruce. Clase AB Este tipo de amplificadores trata de corregir la distorsión de cruce recurriendo al montaje en contrafase mediante diodos, situando el punto de polarización en el umbral de conducción, y produciéndose por tanto, un empeoramiento del rendimiento respecto a la clase B, ya que se consume la potencia necesaria para dicha polarización en reposo. En este caso, si se aplica a la entrada una señal senoidal, la señal de salida será cero en un intervalo de tiempo inferior a medio periodo. Clase C Se polarizan por debajo del corte y la carga se acopla mediante un circuito LC paralelo, sintonizado a la frecuencia de la señal de entrada, de forma que se encuentra en estado de corte la mayor parte del periodo de dicha señal y amplifica solo durante cortos intervalos. En la siguiente gráfica se puede ver la situación del punto de trabajo sobre la recta de carga dinámica para cada tipo de amplificador de potencia:

ic

Qa QAB QB

vCE

Puntos de Operación para clase A, B y AB

Rendimiento En el diseño de este tipo de amplificadores se debe tener en cuenta tanto la limitación de la fuente suministradora de potencia como la máxima disipación permitida, por lo que un parámetro importante es el rendimiento de la conversación de potencia. El rendimiento n se define como la relación entre la potencia promedio entregada a la carga y la potencia consumida de la alimentación:

Potencia entregada a la carga

PL

n% = --------------------------------------------------------- = -------- x100% Potencia DC entregada por la fuente DC Pi

Ventajas e inconvenientes de los diferentes tipos de amplificadores Funcionamiento en clase B respecto al de clase A

Ventajas: -

Mayor potencia de salida, debido a que la amplitud de las señales de salida que se puede obtener sin recortes es casi el doble.

-

Pérdida de potencia en reposo despreciable, ya que el punto de trabajo está situado justo en la zona de corte.

-

Rendimiento mayor como consecuencia de los puntos anteriores: un 78.5% teórico de la clase B frente al 25% de la clase A.

Inconvenientes: -

En la configuración en contrafase es necesario emplear dos transistores idénticos para no introducir deformación entre los semiciclos de la señal de salida.

-

Distorsión de cruce, producida porque los transistores no empiezan a conducir hasta que la VBE no alcanza unos 0.7V.

Funcionamiento en clase AB respecto al de clase B Ventaja: -

Elimina la distorsión de cruce

Inconvenientes: -

Mayor consumo de potencia debido a que circula corriente en reposo.

-

Menor rendimiento.

II.

MATERIALES

1.- Transistores de potencia TIP3IC/32C 2.- RESISTENCIAS SEGÚN LOS CIRCUITOS 3.-CAPACITORES SEGÚN LOS CIRCUITOS 4.- Disipadores 5.-1 PROTOBOARD 6.-1 MULTÍMETRO 7.- 1 OSCILOSCOPIO 8.- 2 fuentes de alimentación de 0 a 30 v 9.- CABLES TELEFÓNICOS

AMPLIFICADOR CLASE AB (2do MONTAJE)

Objetivos 

Medir el punto de polarización.



Medir la ganancia de tensión.



Verificar la existencia de la distorsión de cruce al eliminar uno de los diodos de polarización.

Nota: montar los transistores de potencia TIP3IC/32C con disipadores

AMPLIFICADOR CLASE A 1. Procedimiento práctico En esta práctica se va estudiar el funcionamiento de un amplificador básico en emisor común en clase A.

MONTAJE EN EL LABORATORIO El esquema del amplificador se puede observar en la siguiente figura:

18V

R1 33k Ci 1.5uF +

Co 1uF + TIP31C

R2 15k

RL 4.7k

Re1 270

Re2 4.7k

+

+ 100mV - 2 KHz

Rc 4.7k

Ce 2.2uF

AMPLIFICADOR DE POTENCIA DE CLASE A

Objetivos: Se deben medir los siguientes parámetros: 

Ganancia de tensión Vo/V



Impedancia de entrada

7.6 Zi = Vi/Ii = 5765.47

Los cálculos teóricos que se deben realizar son: 

Punto de polarización (VCEQ, ICQ)

Análisis en DC: usando thevenin

𝑉𝑡ℎ = 𝑉𝑏𝑏 = 5.625 𝑅𝑡ℎ = 𝑅𝑏𝑏 = 10.3125𝐾 Asumimos un: 𝛽 = 150 𝑉𝑏𝑏 − 𝐼𝑏 ∗ 10.3125𝑘 − 𝑉𝑏𝑒 − 4.97𝑘 ∗ 𝐼𝑏 ∗ 𝛽 = 0 𝐼𝑏 =

𝑉𝑏𝑏 − 𝑉𝑏𝑒 10.3125𝑘 + 4.978𝛽

𝐼𝑏 =

5.625 − 0.7 = 6.5162 𝜇𝐴 755812.5

→ 𝐼𝑐𝑞 = 0.977𝑚𝐴 𝑉𝑐𝑐 − 4.7𝑘 ∗ 𝐼𝑐 − 𝑉𝑐𝑒 − 4.97𝑘 ∗ 𝐼𝑐 = 0 𝑉𝑐𝑒 = 𝑉𝑐𝑐 − 9.67𝑘 ∗ 𝐼𝑐 → 𝑉𝑐𝑒 = 18 − 9.67𝑘 ∗ 𝐼𝑐 𝑉𝑐𝑒 = 18 − 9.67𝑘 ∗ 0.977𝑚𝐴 = 8.55 𝑣 ∴ (𝑉𝑐𝑒𝑞, 𝐼𝑐𝑞) = (8.55 , 0.977𝑚𝐴)



Rectas de carga: estática y dinámica

→ 𝑉𝐶𝐸 = 18 − 9.67𝑘 ∗ 0.977𝑚𝐴 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑅𝑑𝑐 ∗ 𝐼𝐶 Analizamos en AC 𝐼𝐶 =

𝑉𝐶𝐶 𝑉𝐶𝐸 − 𝑅𝑑𝑐 𝑅𝑑𝑐

𝐼𝐶 = −

𝑉𝐶𝐸 𝑅𝑑𝑐

𝑉𝐶𝐸 = −𝑅𝑑𝑐 ∗ 𝐼𝐶 ∆ 𝑉𝐶𝐸 = −𝑅𝑎𝑐 ∗ ∆ 𝐼𝐶 𝑉𝑐𝑒 − 𝑉𝐶𝐸𝑄 = −𝑅𝑎𝑐 ∗ (𝐼𝑐 − 𝐼𝐶𝑄) Reemplazando valores obtenemos: → 𝑉𝑐𝑒 = 11.109 − 2.62𝑘 ∗ 𝑖𝑐 Resta de carga estática y dinámica:



Ganancia de tensión

Análisis AC:

𝑉𝑖 − 𝛽 ∗ ℎ𝑖𝑏 ∗ 𝑖𝑏 − 0.27𝑘 ∗ 𝛽 ∗ 𝑖𝑏 = 0 𝑖𝑏 =

𝑉𝑖 … … … . . … … . (1) 𝛽(26.61𝑘 + 0.27𝑘)

ℎ𝑖𝑏 =

𝑉𝑇 26𝑚𝑉 = = 26.61 𝐼𝐶𝑄 0.977𝑚𝐴

𝑉𝑜 = −𝛽 ∗ 𝑖𝑏(4.7 𝑘 𝐼𝐼 4.7𝑘) , 𝑉𝑜 = −

𝑉𝑖 (2.35𝑘) 26.61 + 270

reemplazando (1)

→

𝑉𝑜 = −7.9 𝑉𝑖

Con 100mv pp tenemos una impedancia de entrada: → 𝑍𝑖 =

𝑉𝑖 0.03 = = 4.6039𝐾 𝐼𝑖 6.5162 ∗ 10−6

Señal de entrada color azul, señal de salida color amarillo.

AMPLIFICADOR CLASE AB 2. Procedimiento práctico En esta práctica se va estudiar el funcionamiento del amplificador clase AB polarizado con diodos.

MONTAJES EN EL LABORATORIO Se van a realizar dos montajes con objeto de determinar el comportamiento del amplificador clase AB cuando está excitado mediante una fuente de tensión (1er montaje) y cuando lo está mediante una fuente de corriente (2° montaje). Se pueden usar los transistores equivalentes, pero tienen que ser complementarios.

1er montaje El esquema es el siguiente:

12V

R 100 Q1 TIC31C 12V D1 1N4007

7

1.5 1w

Vo

+ 4 + Vi 0.5Vp 2 KHz -

-12V

Rf 10k

R4 2.2k

D2 1N4007

1.5 1w

Q2 TIC32C

R 100

-12V

AMPLIFICADOR CLASE AB (1ER MONTAJE)

La señal de entrada color azul la señal de salida color amarillo

RL 10 5w

Voltaje de entrada = 0.35Vrms Voltaje de salida = 1.19Vrms Cuando el voltaje de entrada supera los 500mVpp la señal de salida empieza a cortarse las partes superiores de la señal. Por lo tanto la ganancia del circuito es: 𝐴=

1.19 = 3.4 0.35

Al momento de hacer corto un diodo podemos visualizar la distorsión que tiene la señal.

2° montaje El esquema se puede ver en la figura siguiente:

24V

R 100 Q1 TIC31C 12V C1 100uF +

7 + 4 Vi + 0.5Vp 2 KHz -

D1 1N4007 100k D2 1N4007

-12V

1.5 1w

Co 330uF +

1.5 1w

BD139

Vo

RL 10 5w

Q2 TIC32C

10k 100

AMPLIFICADOR CLASE AB (2do MONTAJE) Señal de entrada color azul, señal de salida color amarillo

Voltaje de entrada = 0.35Vrms Voltaje de salida = 0.26Vrms

Al momento de sacar un diodo la señal se muestra como sigue:

III.

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

Para el diseño de un filtro butterworth o chebyshev tienen algunas complicaciones, no en la parte del cálculo sino que al momento de conseguir las resistencias o capacitores en la realidad son difíciles de conseguir estos valores en el mercado o tal parece que no existen. Los filtros son usados en la tecnología existente en la demodulación de una señal o la recuperación de una señal de origen. Para poder realizar un filtro pasa banda, solo es necesario realizar un filtro pasa bajo y un filtro pasa alto, de estos filtros se unen en forma de cascada. Los valores medidos y los valores calculados del primer circuito, tienen pequeños margen de error considerándolo bueno en este laboratorio. Podemos visualizar claramente el punto Q en las rectas dinámica y estática.

Podemos darnos cuenta que al momento de usar los diodos en los dos últimos circuitos podemos evitar el CROS OVER. Debemos tener mucho cuidado al momento de implementar el circuito usando las resistencias adecuadas según sus watt y disipadores.