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:
v
v
R
I
V
V
A
mA
I
I
mA
K
v
v
R
V
V
I
C C CC CE B C B BE CC B4
.
10
)
20
)(
48
.
0
(
20
48
.
0
)
3
.
19
(
25
3
.
19
1
7
.
0
20
=
−
=
−
=
⇒
=
=
=
⇒
=
−
=
−
=
β
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:
pico
mA
pico
mA
p
I
p
I
C(
)
=
β
B(
)
=
25
(
10
)
=
250
Esto produce que:
w
mA
R
p
I
ac
P
C C*
20
0
.
625
2
)
250
(
2
)
(
)
(
2 2 0=
=
=
La eficiencia del amplificador de potencia se calcula entonces empleando de la siguiente forma:
%
5
.
6
%
100
*
6
.
9
625
.
0
%
100
*
)
(
)
(
%
=
0=
=
w
w
dc
P
ac
P
iη
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
V
V
CEQ=
CC=
10
Para IB=6mA el punto de operación sobre la figura 4 es:
mA
I
v
V
CEQ=
10
e
CQ
=
140
La resistencia en ac efectiva vista desde el primario es:
Ω
=
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
(
3
)
2*
8
72
2 2 1 ' L LR
N
N
R
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:
mA
v
R
V
I
L CE C139
72
10
'=
Ω
=
=
Se marca un punto (A):
.
279
139
140
mA
mA
mA
y
I
I
CEQ+
C=
+
=
a
lo
largo
del
eje
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:
mA
I
v
V
mA
I
v
V
C CE C CE255
3
.
18
25
7
.
1
max max min min=
=
=
=
La potencia en ac suministrada a la carga se puede calcular por medio de la ecuación:
w
mA
mA
v
v
ac
P
I
I
V
V
ac
P
CE CE C C477
.
0
8
)
25
255
)(
7
.
1
3
.
18
(
)
(
8
)
)(
(
)
(
0 min max min max 0=
−
−
=
⇒
−
−
=
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:
w
mA
v
I
V
dc
P
i(
)
=
CC CQ=
10
*
140
=
1
.
4
w
w
w
ac
P
dc
P
P
Q=
i(
)
−
0(
)
=
1
.
4
−
0
.
477
=
0
.
92
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:
w
v
R
V
máxima
ac
P
L CC125
.
28
)
16
(
2
)
30
(
2
)
(
2 2 0=
Ω
=
=
La máxima potencia de entrada suministrada por la fuente de alimentación es:
w
R
V
máxima
dc
P
L CC i35
.
81
)
16
(
)
30
(
2
2
)
(
2 2=
Ω
=
=
π
π
La eficiencia del circuito es:
%
5
.
78
%
100
*
81
.
35
125
.
28
%
100
*
)
(
)
(
%
=
0=
=
w
w
dc
P
ac
P
máxima
iη
Como se esperaba. La máxima potencia disipada por cada transistor es:
w
v
R
V
máxima
P
máxima
P
Q Q CC5
.
7
)
16
(
)
30
(
2
5
.
0
2
5
.
0
2
2 2 2 2 2=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
Ω
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
=
π
π
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:
v
v
v
rms
V
p
V
i(
)
=
2
i(
)
=
2
(
12
)
=
16
.
97
≈
17
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:
W
v
R
p
V
ac
P
L L125
.
36
)
4
(
2
)
17
(
2
)
(
)
(
2 2 0=
=
Ω
=
La corriente pico de carga es:
A
v
R
p
V
p
I
L L L4
.
25
4
17
)
(
)
(
=
Ω
=
=
A partir de la cual se calcula la corriente en dc para las alimentaciones, que es:
A
A
p
I
I
dc=
2
L(
)
=
2
(
4
.
25
)
=
2
.
71
π
π
Por lo que la potencia proporcionada al circuito es:
W
A
v
I
V
dc
P
i(
)
=
CC dc=
(
25
)(
2
.
71
)
=
67
.
75
La potencia disipada por cada transistor de salida es:
W
w
w
P
P
P
P
Q Q i15
.
8
2
125
.
36
75
.
67
2
2
0 2=
−
=
−
=
=
La eficiencia del circuito (para una entrada de 12V rms) es entonces:
%
3
.
53
%
100
*
75
.
67
125
.
36
%
100
*
%
=
0=
=
W
W
P
P
iη
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:
W
v
R
V
dc
P
máxima
L CC i99
.
47
)
4
(
)
25
(
2
2
)
(
2 2=
Ω
=
=
π
π
La potencia de salida máxima es:
W
v
R
V
ac
P
máxima
L CC125
.
78
)
4
(
2
)
25
(
2
)
(
2 2 0=
Ω
=
=
Se puede observar que se logra la eficiencia máxima:
%
54
.
78
%
100
*
47
.
99
125
.
78
%
100
*
%
=
0=
=
w
w
P
P
iη
Para lograr la operación de potencia máxima, el voltaje de salida debe ser:
V
V
p
V
L(
)
=
CC=
25
Y la potencia disipada por los transistores de salida es entonces:
W
W
W
P
P
P
2Q=
i−
0=
99
.
47
−
78
.
125
=
21
.
3
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:
W
v
R
V
P
máxima
L CC Q31
.
66
4
)
25
(
2
2
2 2 2 2 2=
Ω
=
=
π
π
Esta disipación máxima sucede a:
V
v
p
V
V
L=
0
.
636
L(
)
=
0
.
636
(
25
)
=
15
.
9
Es importante observar que a VL=15.9V el circuito requiere que los transistores de salida disipen 31.66W,
