Amplificador clase AB PDF

Preview

Summary

Diseño del amplificador clase AB...

Description

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES ELECTRÓNICA APLICADA

INFORME #4 PROFESORA: ING. MÓNICA ENDARA, ESPC NRC: 10004 NOMBRES: ANGOS EVELYN COLLAGUAZO DAVID CUMBAL ALEXANDER FRÍAS RASHEL 2021

INFORME #4 1. TEMA: DISEÑO DE AMPLIFICADOR CLASE AB 2. OBJETIVOS General: 

Diseñar y analizar el funcionamiento de un amplificador de audio clase AB

Específicos: 

Encontrar los transistores adecuados para el diseño del circuito.



Analizar el comportamiento de un circuito amplificador de audio clase AB



Verificar mediante la simulación el correcto funcionamiento del amplificador diseñado.

3. INSTRUMENTOS Y DISPOSITIVOS UTILIZADOS 

Resistencias



Capacitores



Diodos



Transistor



Fuente

Software LTspice XVII 4. MARCO TEÓRICO

[ CITATION Mal07 \l 3082 ][ CITATION End211 \l 3082 ]

Diagrama de bloques

Señal de entrada Audio

Amplifiación Amplifiacdor Clase AB

Señal de salida Parlante

5. DISEÑO

Fig. 1 Circuito propuesto, realizado por: Angos, Collaguazo, Cumbal y Frías.

R L=8 [ Ω ] P=5 [ W ] Transistores y diodos Para el diseño se deben seleccionar transistores NPN y PNP que sean complementarios para disminuir la distorsión de cruce y además, diodos semiconductores con polarización directa del mismo valor de la juntura base-emisor de los transistores elegidos. Para este amplificador se utiliza el transistor NPN: 2SC3421 y PNP: 2SA1358 debido a las características de frecuencia, potencia y aplicación de audio que poseen; y, los diodos de unión PN: 1N914 ya que son de silicio con un voltaje de

polarización de 0.7V al igual que la juntura de los transistores.

Fig. 2 Datasheet del transistor2SC3421.

Fig. 3 Datasheet del transistor 2SA1358.

a) Análisis en d.c. Transistor NPN

Ic1 Ib1

Ib

Ie1=Ie2 Ib2

Ic2

Fig. 4 Análisis de mallas, realizado por: Angos, Collaguazo, Cumbal y Frías

P=

V 2OP 2 RL

V OP=√ P ¿ 2 R L V OP=√ (5 W ) ( 2) ( 8Ω )

V CC =V OP → V CC =9.1[ V ] Malla de entrada: I b1 Rb 1 +2V BE−

V CC =0 2

b) Hallar la recta de carga Para el diseño de los amplificadores clase AB cuando los diodos de compensación están adaptados a las curvas

V BE

de los transistores, la corriente en las resistencias de la

base es la corriente de polarización.

100

0.85mA

Fig. 5 Recta de carga del transistor 2SC3421.

Malla de salida: I C ( sat ) =

V CC 9.1 V =284 . 37 [ mA ] = 4 R L 4 (8 Ω )

V CE (corte )=

V CC 9.1 V =2 .28 [ V ] = 4 4

I b1 =0.85 [ mA ] I c1 =100 [ mA ] Vcc −2 V BE 2 I b1 = Rb 1 Rb 1 =

4.55−2 (0.7 ) 0.85 mA

Rb 1=3 . 7 [ kΩ] Cálculo de Beta: β=

I c1

100 mA =118 = I b 1 0.85 mA

El valor calculado está dentro del rango del beta en el datasheet por lo tanto, es correcto. I e1= I b 1( β +1 )

I e1=0.85 mA ( 119 ) I e1=101.15 mA

Transistor PNP

Ic1 Ib1

Ib

Ie1=Ie2 Ib2

Ic2

Fig. 6 Análisis de mallas, realizado por: Angos, Collaguazo, Cumbal y Frías

P=

V 2OP 2 RL

V OP=√ P ¿ 2 R L V OP=√ (5 W ) ( 2) ( 8Ω )

V CC =V OP → V CC =9.1[ V ] Malla de entrada: −I b 2 Rb 2−2 V BE +

V CC =0 2

a) Hallar la recta de carga Para el diseño de los amplificadores clase AB cuando los diodos de compensación están adaptados a las curvas

V BE

de los transistores, la corriente en las resistencias de la

base es la corriente de polarización.

Vcc =−284.37 4 Rl

-100

0.85mA

Vcc =−2.28 4 Fig. 7 Recta de carga del transistor 2SA1358.

Malla de salida: I C ( sat ) =

−V CC −9.1V =−284.37 [mA ] = 4 ( 8 Ω) 4 RL

V CE (corte )=

−V CC −9.1V = =−2 .28 [V ] 4 4

I b2 =−0.85 [ mA ] I c2 =−100 [ mA] Vcc −2V BE − 2 I b2 = Rb 2 Rb 1 =

−4.55 −2 (0.7 ) 0.85 mA

Rb 2=3.7[ kΩ ]

Análisis en AC

Fig. 8 Análisis AC, realizado por: Angos, Collaguazo, Cumbal y Frías

ℜ=

26 mV I EQ

ℜ=

26 mV =0.26 [Ω ] 100 mA

Cálculo de ganancia en voltaje: AV =

RL ℜ+RL

AV =

8 8 = ℜ+8 0.26 + 8

A V =0.96 ≅ 1

Cálculo de ganancia de corriente: Ai=

Av∗Z ¿ RL

Ai=

0.96∗864 8

Ai=1 18.3

Cálculo de impedancia de entrada y salida: Z ¿ =R B 1||R B 2=3.7 k| 3.7 k Z ¿ =2 [ kΩ ] Z out =ℜ Z out =0.26[ Ω]

Cálculo de eficiencia: %η=

PO x 100 % Pi 2

V L ( p ) ( 9.1)2 = PO ( ca ) = 2 RL 2(8) PO ( ca ) =5.18 [W ] Corriente a través de la carga: I L( p ) =

V L( p) 9.1 = 8 RL

I L ( p ) =1. 14 [ A ] Corriente de la fuente: I cd=

2 2 I L( p )= (1.14 A ) π π

I cd=0.72[ A] Potencia suministrada al circuito: Pi ( cd )=V CC I cd = (9.1V )( 0.725 A ) Pi ( cd )=6.60 [ W ] Potencia disipada por cada transistor: PQ =

P2 Q P i−Po 6.60 W −5.18 W = = 2 2 2

PQ=0.70 [ W ] % η=

Po 5.18 W ∗100 % ∗100 %= 6.60 W Pi

η=78.48 %

Cálculo de los capacitores: Cb 1=Cb 2 ≫ Cb 1=Cb 2 ≫

1 2 π f min Zin 1 40 π 2 kΩ

Cb 1=Cb 2=560[ uF ] Cs ≫ Cs ≫

1 2 π f min R L 1 40 π 8Ω

Cs=1000 [ uF ]

b) Circuito Diseñado

Fig. 9 Circuito Diseñado, realizado por: Angos, Collaguazo, Cumbal y Frías

Definición de los elementos del circuito 

 

 

Capacitores: incluimos un capacitor a la salida para bloquear el nivel de DC que introduce la fuente de alimentación y por la misma razón, incluimos otro capacitor a la entrada de la señal. Diodos: los diodos de compensación se utilizan para disminuir la distorsión de cruce que ocurre cuando ambos transistores están cortados. Transistores: se encargan de la amplificación de la señal, el NPN en el semiciclo positivo y en PNP en el semiciclo negativo para completar un ciclo. Fuente: las fuentes se encargan de la polarización de los transistores. Resistencias: las resistencias de la base limitan la corriente de polarización y también evitan las corrientes directas a la base del transistor.

Formas de onda entrada/salida

Fig. 10 Forma de onda señal entrada/salida.

Voltaje de entrada:

V ¿ =4.55[ V ]

Voltaje de salida: V out=4.27[ V ]

c) Datos Obtenidos Resultados

Teóricos

Simulación

Av η

1 78.5

0.9 78.48

Error (%) 10 0.02

Dentro del análisis de los resultados tenemos un error medio en todas las mediciones menor al 10% esto quiere decir que tanto los procedimientos para calcular los valores de resistencias, corrientes, potencias, eficiencia se aproxima al valor de las simulaciones. Pero los errores deberían ser menores al 5%, por lo que se debería realizar algunos ajustes al diseño para que el cálculo de los errores disminuya. A su vez también podemos decir que el transistor que se uso cumple con su finalidad, es decir que es el indicado y que puede ser implementador en el amplificador de audio.

d) Diseño de la fuente Para la fuente de polarización se utilizará un circuito estabilizador con diodo Zener: BZX84C9V1LT1, G de 9.1V de voltaje de ruptura.

Fig. 11 Datasheet del diodo Zener BZX84C9V1LT1.

Datos de diseño Vz =9.1 V

Pz =225 mW Izmin=15 mA

Iomin=0 mA Iomax =10 mA

Vop=155.56 V r=5 %

Se va a diseñar el siguiente circuito:

Fig. 12 Circuito de alimentación a diseñar.

De acuerdo con la hoja de especificación del fabricante, la corriente absoluta más baja que mantendrá la regulación se especifica con IZK la que para el BZX84C9V1LT1, G es de 15 mA y representa la corriente sin carga. La corriente máxima no aparece en la hoja de datos, pero se calcula a partir de la especificación de potencia de 225 mW, la cual sí aparece en la hoja de datos.

Izmax=

Pz 225mW = Vz 9.1 V

Izmax =25 mA

Fig. 13 Voltaje de salida en la resistencia de carga, realizado por: Angos, Collaguazo, Cumbal y Frías.

Una vez establecidos todos los parámetros iniciales procedemos a diseñar el circuito de atrás hacia adelante, es decir desde la etapa final de regulación, hasta la etapa inicial de rectificación y filtrado. El voltaje 𝑉𝑉 hace referencia al voltaje de salida de la etapa de filtrado. Primero calcularemos la resistencia de carga mínima y máxima. RLmin=

9.1V Vz = Iomax 10 mA

RLmin=910 Ω

RLmax=

15V Vz = =∞→ Circuito abierto Iomin 0 mA

El circuito está diseñado para que a pesar de que no conectemos una carga a la salida, la corriente que circule por el Zener, no lo queme.

Fig. 14 Análisis del nodo A, realizado por: Angos, Collaguazo, Cumbal y Frías.

Análisis en el nodo A: I =Iz + Io

Debido a que se tiene corrientes máximas y mínimas: Imax=Izmax + Iomin =25[ mA ]+ 0=25 [mA ]

Imin= Izmin + Iomax =15[ mA ]+10 [ mA ]=25[ mA ] El voltaje de entrada mínimo al regulador será el voltaje de rizado pico inferior, mientras que el voltaje máximo será el voltaje VOP. Debido a que se utilizará un rectificador de onda completa tipo puente, el voltaje VOP está dado por: Vop=Vp −2 Vγ =155.56 V −1.4 V

Por lo tanto, el voltaje máximo del filtro expresado en función del Vop será: Vop=Vomax =154.16 V Ahora realizamos un análisis en la malla que involucra la fuente Vf, Rs y Vo para encontrar los voltajes mínimos y máximos de entrada, al igual que la resistencia 𝑉𝑉. Rs=

Vop −Vz 154.16 V −9.1 V = Imax 25 mA

Rs=5.8 kΩ

Siguiendo con el análisis del voltaje mínimo de salida del filtro: Vmin=Vop −Vrpp=154.16 [V ]−Vrpp Vrpp=0.06 V

Vmin=154.16 V −0.06 V Vmin=154.1 V

El voltaje de salida medio es: VDC =Vop −

0.06 V Vrpp =154.16 V − 2 2

VDC =154.13 V Finalmente se calcula el capacitor del circuito con el porcentaje de rizado: r=0.05

C=

1 4 √3∗Req∗fmin∗r

Se realiza un equivalente de las resistencias Rs y Rl para la resistencia equivalente

Req=910∨¿ 5.8 k =786.58 Ω

C=

1 4 √3∗49.3 Ω∗20∗0.05

C=220[ μF ] Fuente diseñada:

Fig. 15 Circuito de alimentación diseñado.

Conclusiones 







Con los resultados obtenidos podemos concluir que el diseño del amplificador clase AB fue realizado bajo los parámetros correspondientes y cumple con todas las condiciones y resultados deseados. Se pudo observar que nuestro transistor es capaz de soportar potencias medias y altas entre ellas los 5 W en el colector, maneja hasta 80 W. Con estos datos y su recta de carga verificamos que el transistor que se desea utilizar es el indicado. Realizando la práctica se pudo realizar los cálculos respectivos y el diseño para que nuestro amplificador funcione de una manera óptima, tomando en cuenta los parámetros establecidos donde se pudo confirmar que el amplificador tiene un ciclo de operación de 360°, al trabajar con dos transistores en configuración NPN y PNP, es decir, que se trabaja con un transistor y su complementario. Realizando la simulación en un software libre, se pudo comprobar la salida del diseño, el amplificador tiene la correcta amplificación debido a que al ser colector común su ganancia tiende a 1, también pudimos observar la distorsión que se presenta en la salida de voltaje.

Recomendaciones 

Cuando realizamos el laboratorio es necesario elegir de una manera correcta el transistor que utilizaremos, puesto que debemos buscar un transistor de media potencia, ya que mientras más sea la potencia del transistor más se elevara su







costo por lo que debemos considerar un transistor que se ajuste a la potencia deseada. Para una correcta realización de la práctica de laboratorio debemos tener en cuenta el beta del transistor, para evitar tener problemas en la amplificación y realizar el diseño con el fin de que nuestro amplificador funcione. En la práctica debemos verificar la eficiencia del amplificador, además de sus características, que debe estar diseñado para poder obtener la señal amplificada deseada de acuerdo a los requerimientos establecidos a lo largo de este taller. Cuando utilizamos software libre para realizar la simulación, en este caso LTSpice no existen todos los componentes por lo que es necesario crear el componente y añadirlo al software por medio de paquetes, para posteriormente utilizar el transistor en la implementación del circuito.

6. BIBLIOGRAFÍA Endara, M. (8 de Noviembre de 2021). Amplificador clase B. Quito, Pichincha, Ecuador. Malvino, A., & David, B. (2007). Principios de electrónica. Madrir: Mc Graw Hill 



7. ANEXOS

Fig. 16 Datasheet Transistor2SC3421

Fig. 17 Datasheet 2SC3421

Fig. 18 Datasheet Transistor 2SA1358

Fig. 19 Datasheet Transistor 2SA1358...