Problemas Resueltos

Prof. César González – Electrónica II

Amplificadores de Potencia – Problemas Resueltos 1. Calcular la potencia de entrada, la potencia de salida y la eficiencia del amplificador de la figura 1 para un voltaje de entrada que produce una corriente de 10mA pico. Los valores para el circuito son: RB=1K, VCC=20v, RC=20W y β=25.

Figura 1. Amplificador clase A alimentado en serie. Solución:

IB =

VCC − V BE 20v − 0.7v = = 19.3mA ⇒ RB 1K

I C = βI B = 25(19.3mA) = 0.48 A ⇒ VCE = VCC − I C RC = 20v − (0.48)(20) = 10.4v

Figura 2. Características del transistor mostrando la recta de carga y el punto Q. Este punto de polarización se marca sobre las características del transistor de la figura 2. La variación en ac de la señal de salida puede obtenerse en forma gráfica empleando la recta de carga dc y uniendo VCE=VCC=20v con IC=VCC/RC=1000mA=1A, como se muestra. Cuando la corriente de entrada incrementa la corriente de base desde su nivel de polarización la corriente de colector aumenta en:

I C ( p ) = βI B ( p ) = 25(10mA pico) = 250mA pico

Esto produce que:

I C2 ( p ) ( 250mA) 2 RC = * 20 = 0.625w 2 2 Pi ( dc ) = V CC I CQ = ( 20v )(0.48 A) = 9.6 w

P0 ( ac ) =

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La eficiencia del amplificador de potencia se calcula entonces empleando de la siguiente forma:

η% =

P0 (ac) 0.625w *100% = 6.5% *100% = Pi (dc) 9 .6 w

2. Calcular la potencia en ac que se entrega al altavoz de 8W para el circuito de la figura 3. Los valores de los componentes del circuito dan como resultado una corriente de base dc de 6mA, y la señal de entrada (Vi) da como resultado una oscilación de la corriente pico de base igual a 4mA. El voltaje de polarización VCC=10v y la relación de vueltas es N1/N2=3:1.

Figura 3. Amplificador de clase A con transformador acoplado. Solución: La recta dc se toma verticalmente (ver figura 4) desde el punto de voltaje:

V CEQ = VCC = 10v Para IB=6mA el punto de operación sobre la figura 4 es:

V CEQ = 10v e I CQ = 140 mA

La resistencia en ac efectiva vista desde el primario es:

⎛N R = ⎜⎜ 1 ⎝ N2 ' L

2

⎞ ⎟⎟ R L = (3) 2 * 8 = 72Ω ⎠

Figura 4. Características del transistor clase A acoplado por transformador.

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La recta de carga en ac puede, por tanto, trazarse con pendiente de -1/72 a través del punto de operación indicado. Para facilitar el trazado de la recta de carga, se considera el siguiente procedimiento. Para una oscilación de corriente de:

IC =

VCE R

' L

=

10v = 139mA 72Ω

Se marca un punto (A):

I CEQ + I C = 140 mA + 139 mA = 279 mA a lo largo del eje y. Se une el punto A a través del punto Q para obtener la recta de carga en a.c. Para la oscilación de corriente de base dada de 4mA pico, el voltaje de colector-emisor y la corriente de colector mínima y máxima obtenidas de la figura 4b son:

VCE min = 1.7v

VCE max = 18.3v

I C min = 25mA

I C max = 255mA

La potencia en ac suministrada a la carga se puede calcular por medio de la ecuación:

(VCE max − VCE min )( I C max − I C min )

⇒ 8 (18.3v − 1.7v)(255mA − 25mA) P0 (ac) = = 0.477 w 8

P0 (ac) =

3. Para el circuito de la figura 3 y los resultados del anterior ejemplo, calcular la potencia de entrada dc, la potencia disipada por el transistor y la eficiencia del circuito para la señal de entrada del ejemplo anterior. Solución:

Pi ( dc ) = V CC I CQ = 10v *140 mA = 1.4 w PQ = Pi ( dc ) − P0 ( ac ) = 1.4 w − 0.477 w = 0.92 w La eficiencia del amplificador es entonces:

η = Po (ac) / Pi(dc) = 0.477w / 1.4W ≈ 34% 4. Para un amplificador de clase B con una fuente de VCC=30v y manejando una carga de 16Ω, determine la máxima potencia de entrada, potencia de salida y disipación del transistor. La máxima potencia de salida es:

P0 (ac)máxima =

2 VCC (30v) 2 = = 28.125w 2 R L 2(16Ω)

La máxima potencia de entrada suministrada por la fuente de alimentación es:

Pi (dc)máxima =

2 2VCC 2(30) 2 = = 35.81w πR L π (16Ω)

La eficiencia del circuito es:

η % máxima =

P0 (ac) 28.125w *100% = *100% = 78.5% Pi (dc) 35.81w

Como se esperaba. La máxima potencia disipada por cada transistor es:

PQ máxima =

P2Q máxima 2

⎛ 2V 2 = 0.5⎜⎜ 2 CC ⎝ π RL

⎞ ⎛ 2(30v) 2 ⎞ ⎟ = 0.5⎜ 2 ⎜ π (16Ω) ⎟⎟ = 5.7 w ⎟ ⎝ ⎠ ⎠

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En las condiciones máximas, un par de transistores, manejando cada uno como máximo 5.7w, puede entregar 28.125w a una carga de 16Ω, mientras que consume 35.81w de la fuente. 5. Para el circuito de la figura 5 calcular la potencia de entrada, la potencia de salida y la potencia manejada por cada transistor de salida y la eficiencia del circuito para una entrada de 12 V rms.

Figura 5. Amplificador de potencia clase B. El voltaje de entrada pico es:

Vi ( p) = 2Vi (rms) = 2 (12v) = 16.97v ≈ 17v Debido a que el voltaje resultante a través de la carga es idealmente el mismo que el de la señal de entrada (el amplificador tiene una ganancia unitaria de voltaje), es decir, VL(p)=17v. Y la potencia de salida desarrollada a través de la carga es:

V L2 ( p) (17v) 2 P0 (ac) = = = 36.125W 2R L 2(4Ω) La corriente pico de carga es:

I L ( p) =

V L ( p ) 17v = = 4.25 A 4Ω RL

A partir de la cual se calcula la corriente en dc para las alimentaciones, que es:

I dc =

2

π

I L ( p) =

2(4.25 A)

Por lo que la potencia proporcionada al circuito es:

π

= 2.71A

Pi (dc) = VCC I dc = (25v)(2.71A) = 67.75W

La potencia disipada por cada transistor de salida es:

PQ =

P2Q 2

=

Pi − P0 67.75w − 36.125w = = 15.8W 2 2

La eficiencia del circuito (para una entrada de 12V rms) es entonces:

η% =

P0 36.125W *100% = *100% = 53.3% Pi 67.75W

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6. Para el circuito de la figura 5, calcular la potencia de entrada máxima, la potencia de salida máxima, el voltaje de entrada para la operación de potencia máxima y la potencia disipada por los transistores de salida a este voltaje. La potencia de entrada máxima es: 2 2VCC 2(25v) 2 = = 99.47W máxima Pi (dc) = πR L π ( 4Ω )

La potencia de salida máxima es: 2 VCC (25v) 2 = = 78.125W máxima P0 (ac) = 2 R L 2(4Ω)

Se puede observar que se logra la eficiencia máxima:

η% =

P0 78.125w *100% = 78.54% *100% = Pi 99.47 w

Para lograr la operación de potencia máxima, el voltaje de salida debe ser:

V L ( p ) = VCC = 25V Y la potencia disipada por los transistores de salida es entonces:

P2 Q = Pi − P0 = 99.47W − 78.125W = 21.3W 7. Para el circuito de la figura 5, determinar la potencia máxima disipada por los transistores de salida y el voltaje de entrada en el que esto sucede. La potencia máxima disipada por ambos transistores de salida es:

máxima P2Q

2 2VCC

2(25v) 2 = 2 = 2 = 31.66W π RL π 4Ω

Esta disipación máxima sucede a:

V L = 0.636V L ( p) = 0.636(25v) = 15.9V Es importante observar que a VL=15.9V el circuito requiere que los transistores de salida disipen 31.66W, mientras que a VL=25V sólo tienen que disipar 21.3W.

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