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Electrónica I. Guía 8

Facultad: Ingeniería. Escuela: Electrónica. Asignatura: Electrónica I. Lugar de ejecución: Fundamentos Generales (Edificio 3, 2da planta).

AMPLIFICADOR PUSH PULL BJT. Objetivos específicos · · · ·

Observar el comportamiento del amplificador complementario en configuración PUSH-PULL en clase B. Observar el efecto de la distorsión de cruce en un amplificador clase B. Explicar el comportamiento de la misma configuración PUSH-PULL clase AB. Explicar qué sucede con la distorsión de cruce en la configuración AB.

Materiales y equipo • • • • • • • • • • • • •

1 Transistor 2N2219A o equivalente 1 Transistor 2N2905A o equivalente 2 Resistencias de 330 Ω 2 Diodos 1N4001 1 Resistencia de 1 KΩ 1 Resistencia de 10 KΩ 1 Resistencia de 100 KΩ 1 Osciloscopio de dos canales 1 Par de puntas para multimetro 1 Par de puntas para osciloscopio 1 Breadboard 1 Unidad PU-2000 con PU-2200 Alambre de telefonia

Introducción Teórica En un amplificador clase B en contrafase se emplean dos transistores complementarios (un transistor NPN y un transistor PNP) para llevar a cabo la operación de contrafase.

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Electrónica I. Guía 8

En la Figura a) se muestra un amplificador complementario en contrafase. Para vI > 0, el transistor Qp se mantiene desactivado y el transistor QN funciona como seguidor de emisor. Para un valor suficientemente grande de vI, QN se satura y el voltaje de salida máximo es: VCE(máx) = VCC – VCE(sat) (Ecuación 1) Para vI < 0, el transistor QN se mantiene desactivado y el transistor Qp funciona como seguidor de emisor. Para un valor negativo lo suficientemente grande de vI, Qp se satura y el voltaje de salida máximo negativo es -VCE(máx) = - (VCC – VCE(sat)) = - VCC + VCE(sat) (Ecuación 2) Si se supone que los transistores son idénticos, con VBE1 = VBE2 = VBE, el voltaje de salida está dado por vO = vI - VBE para – 0.7 V ≤ vI ≤ 0.7 V (Ecuación 3) que da la característica de transferencia de vO en función de vI de la Figura b). Sin embargo, durante el intervalo – 0.7 V ≤ v I ≤ 0.7 V, tanto QP como QN permanecen desactivados, y vO = 0 esto crea una zona muerta y una distorsión por cruce en el voltaje de salida como se ilustra en la Figura c)

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Figura c) Distorsión de cruce La eficiencia (ŋ) es un parámetro que relaciona la potencia de la carga respecto a la potencia de la fuente de alimentación de CD en sus términos máximos es de 78.5% La distorsión por cruce de un amplificador clase B complementario en contrafase se minimiza o es eliminada con un amplificador clase AB, en el cual los transistores funcionan en la región activa cuando el voltaje de entrada vI es pequeño (vI ≈ 0 V). Los transistores se polarizan de tal forma que cada uno de ellos conduce para una pequeña corriente de polarización IQ Cuando vI = 0 V. En las Figuras siguientes se muestra un circuito de polarización.

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Procedimiento AMPLIFICADOR CLASE B 1. Arme en breadboard el siguiente circuito de un amplificador PUSH- PULL clase B que se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Amplificador PUSH-PULL clase B

2. Encienda el PU-2000 3. Ajuste la fuente PS-1 a 10V 4. Ajuste la fuente PS-2 a –10V 5. Ajuste el generador en onda senoidal de frecuencia 1kHz y 8V pico a pico de amplitud.

6. Mida el voltaje base- emisor con un voltímetro.

7. Conecte el canal 1 del osciloscopio en la entrada del circuito. 8. Conecte el canal 2 del osciloscopio en la resistencia R3. 9. Dibuje en el oscilograma a continuación la forma de onda obtenida a la salida del circuito amplificador. Oscilograma 1

´

TIME/DIV

VOLTS/DIV #1

VOLTS/DIV #2

500 ms

7.9 V

7.4 V

10. Registre el valor de amplitud presente en la señal de salida. VR3 = 11. ¿Es la salida perfectamente senoidal? NO

12. Cambie el valor de R3 = 1kΩa R3 = 10kΩ ¿Ha habido un cambio en la señal de salida? NO

13. Cambie el valor de R3 = 10kΩa R3 = 100kΩ ¿Ha habido un cambio en la señal de salida? NO

14. Apague el PU-2000 15. Haga los siguientes cambios al circuito como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Amplificador PUSH-PULL clase AB

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16. Mantenga los ajustes de la parte anterior en las fuentes y en la señal de entrada. 17. Mida el voltaje base- emisor con un voltímetro. 18. Dibuje la señal de salida en la resistencia R3.

Oscilograma 2 TIME/DIV

VOLTS/DIV #1

VOLTS/DIV #2

300 ms

7.9 V

7.2 V

19. Cuál es la diferencia en la señal de salida del circuito de la Figura 1 con el de la Figura 2? FIGURA 1

FIGURA 2

La figura 1 presenta una distorsión por cruce es decir un intervalo casi nulo en el cual la señal se hace cero, por el contrario la figura 2 muestra una señal de salida continua y no presenta cortes en cero.

20. Apague la fuente, desconecte el circuito y entregue los componentes en orden.

Análisis de Resultados 1. Haga la deducción de la eficiencia para un amplificador de clase AB Como la clase AB se encuentra entre las clases A y B en cuanto a polarización, también cae entre sus valores de eficiencia: entre 25% (o 50%) y 78.5%.A bajo nivel de salida opera como un clase A: La potencia extraída de la fuente es:

La potencia entregada a la carga se puede expresar como:

La eficiencia de un amplificador representa la cantidad de potencia de carga suministrada (transferida) desde la fuente de cd. La eficiencia del amplificador se calcula con:

Para un transformador clase A, la eficiencia teórica máxima llega a ser de 50. La eficiencia se puede expresar como:

Cuanto más grande es el valor de 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑉𝑉 y más pequeño es el valor de 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑉𝑉 más se acerca la eficiencia al límite teórico de 50%. Mientras que a altos niveles de salida la señal sobrepasa el punto cero de cruce y se comienza a comportar como un clase B. La cantidad de esta potencia de entrada se calcula con (en valores pico):

Podemos calcular la potencia entregada a la carga (normalmente conocida como resistencia RL) con cualquiera de varias ecuaciones:

La eficiencia del amplificador clase B se calcula con la ecuación básica:

Cuanto más grande es el voltaje pico, más alta es la eficiencia del circuito, hasta un valor máximo cuando 𝑉𝑉2(𝑉)=𝑉 𝑉𝑉 y esta eficiencia máxima es entonces:

2. ¿Cuál es el motivo por el cual se da la distorsión de cruce? La distorsión de cruce es producida por la perdida en el voltaje base-emisor, recordemos que la unión base-emisor actúa como un diodo y necesita un valor de voltaje aproximadamente mayor a 0.7v.Los transistores alternan dependiendo del semi-ciclo de Vin, en el semi-ciclo positivo trabaja el transistor 1 (npn) y en el negativo el transistor 2 (pnp); cada uno necesita al menos un valor de Vin aproximadamente mayor a 0.7v para encenderse; debido a esto en el intervalo de tiempo donde Vin cambia de -0.7v hasta 0.7v y viceversa ambos transistores permanecen apagados y se produce dicha distorsión 3. ¿Qué problemas se pueden presentar si una señal de salida no es perfectamente senoidal (sugerencia: investigue sobre el análisis en el dominio de la frecuencia mediante las técnicas de transformación de Fourier)

Las salidas de muchos dispositivos eléctricos y electrónicos no son senoidales, aun cuando la señal aplicada pueda ser puramente senoidal. Por ejemplo, la red de la figura A6.2 utiliza un diodo para recortar la parte negativa de la señal aplicada en un proceso llamado rectificación de media onda, el cual se utiliza en el desarrollo de niveles de cd a partir de una entrada senoidal. En sus cursos de electrónica encontrará que el diodo es semejante a un interruptor mecánico, pero es diferente porque puede conducir corriente en sólo una dirección. La forma de onda de salida es definitivamente no senoidal, pero observe que su periodo es igual al de la señal aplicada y coincide con la entrada durante la mitad del periodo. Esto demuestra cómo una forma de onda no senoidal como la salida parecida a la de la figura A6.2 puede ser representada por una serie de términos. También explica cómo determinar

la respuesta de una red a una entrada como esa. La serie (o series) de Fourier es una serie de términos, desarrollada en 1822 por el barón Jean Fourier , que puede usarse para representar una forma de onda periódica no senoidal. En el análisis de estas formas de onda resolvemos cada término de la serie de Fourier de la siguiente manera:

4. ¿Qué efecto se produce al ubicar los diodos entre las bases de los dos transistores? Los diodos eliminan la distorsión por cruce (variación de la señal) lo cual permite apreciar Perfectamente la formación de la onda senoidal. 5. En términos de funcionamiento, ¿cuál es la función de los diodos en el circuito del amplificador AB? La función de los diodos es evitar que los transistores se apaguen en un mismo tiempo, corrigiendo así todas las no linealidades asociadas con la distorsión de cruce, para lograr obtener una señal senoidal completa 6. ¿Por qué la señal de salida tiene casi la misma amplitud de la señal de entrada?

Es debido a que en la configuración PUSH-PULL se genera una ganancia unitaria constante para cualquier amplitud de entrada, cabe recalcar que también tiene la misma fase.

7. Si este es un amplificador de potencia, ¿Qué otra magnitud varía si el voltaje permanece casi constante? La potencia la determina la corriente y el voltaje que pasa por el circuito, si el voltaje se mantiene constante el parámetro que aumenta es la corriente de salida con respecto a la entrada. 8. Diseñe un amplificador clase AB para una potencia de 300mW con una resistencia de carga de 100Ω, presente los criterios de diseño empleados y las características de los transistores que empleó....