- Analizar las características lineales de los amplificadores de potencia en clase A.
- Analizar las potencias que intervienen en una etapa, buscando que el circuito cumpla la condición de operación segura.
- Realizar el trazado de las rectas de carga estática y dinámica, analizando la ubicación del punto Q para que cumpla con la máxima excursión de señal simétrica sin deformación.
- Hallar el rendimiento de potencia.
- Analizar las condiciones de disipación térmica correcta, sin que sufra desbocamiento térmico.
- Buscar para los diseños de los circuitos las soluciones prácticas que mejor se adapten a las consignas del presente trabajo.
- Verificar para cada diseño el funcionamiento de la etapa utilizando software de simulación aplicado.
- Presentar el informe del TP correctamente en tiempo y en forma.
Software aplicado:
- Multisim.
- Determinar el disipador adecuado para que el transistor BD135 pueda disipar 5W sin sufrir desbocamiento térmico.
- Calcular la máxima potencia que pueda disipar el transistor TIP41, si utilizamos un disipador con una Rtda= 50° C/W.
- Determinar el disipador adecuado para que el transistor TIP07 pueda disipar 10W sin sufrir desbocamiento térmico.
- Calcular la máxima potencia que pueda disipar el transistor BD136, si utilizamos un disipador con una Rtda= 30° C/W.
- Un amplificador de potencia tiene como transistor de salida un 2N3055.Calcular la resistencia térmica del disipador, sabiendo que dicho transistor tiene que disipar 25W y que por problemas de diseño no puede superar el mismo 80mm de longitud por necesidades de montaje.
- Calcular la máxima potencia que puede disipar un transistor 2N1711 a una temperatura ambiente de 40°C suponiendo que el montaje del mismo se realizó:
a) Sin disipador.
b) Con un disipador que tiene Rtda= 1,5°C/W. - Un amplificador clase A, cuyo circuito se indica a continuación:
a) En primer término haremos la determinación de la impedancia de salida del amplificador.
Conectar los instrumentos en la forma que se indica a continuación para realizar esta determinación.
Tenga en cuenta lo siguiente:
El amplificador a ensayar se considera como un cuadripolo, y desde el punto de vista de la definicion de Impedancia de salida de un cuadripolo, seria necesario cortocircuitar la entrada del mismo para su determinacion. En la practica, esta condicion se considera satisfactoriamente cumplida si la impedancia de salida del generador usado para excitar al amplificador es suficiente baja respecto de la impedancia de entrada del mismo.
La frecuencia de la señal de entrada a usar debe estar dentro del ancho de banda del amplificador, o sea en la zona plana, de modo que deberia determinarse primero el ancho de banda. Para seguir el proceso, se considerara a priori señal senoidal de 1KHz, el cual es un valor que se fija a priori en funcion de las caracteristicas del amplificadorque se va a ensayar.
El nivel da la señal de entrada se ajustara a fin de obtener la maxima señal de salida sin distorsion por recorte y simetrica. Si el amplificador tiene potenciometro de volumen, ajustar al maximo para realizar esta medicion previa a inyectar la señal de entrada.
A continuacion, con la resistencia variable de carga (Rc1) desconectada (es decir en vacío), ajustar.
Los mandos de los instrumentos para obtener un nivel de señal de salida tal que posibilite su lectura comoda con el voltimetro sin que se produzca distorsion en la forma de onda observada con el osciloscopio.
En el circuito sugerido, puede reducirse la distorsion y busca maxima excursion simetrica, retocando el resistor variable 5K.
Seguidamente se procedera a conectar el resistor de carga variable cuidando de comenzar con el valor maximo del mismo para luego ajustarlo hasta que la lectura de la tension de salida efecutada con el voltimetro se reduzca a la mitad que la obtenida en vacio al principio.
En esta situacion el valor de la impedancia de salida del amplificador es numericamenete igual a la resistencia de carga (por el tipo de amplificador y la frecuencia en que la impedancia de salida no tiene parte reactiva considerable), de acuerdo al teorema de la maxima transferencia de energia, y su valor de la resistencia de carga (Rc1) con un ohmetro.
b) Determinación de la impedancia de entrada del amplificador. Armar el montaje que se muestra a continuacion
Inicialmente se debe repetir el primer paso de la experiencia anterior y tomar nota del valor de la tension de salida. Luego se conecta en serie entre el generador y la entrada del amplificador, una resistencia variable (Re1) cuidando de comenzar con su minimo valor. Se ajusta a continuacion el valor de la misma hasta que la lectura de la tension de salida cae a la mitad de la magnitud inicial.
En esta situacion el valor numericode Re1 es igual a la impedancia de entrada del amplificador. (Son validas las mismas consideraciones que se efectuaron en el experimento anterior).
c) Medición de la ganancia de tensión del amplificador:
Antes de proceder a medir la ganacia de un amplificador cualquiera, se debe establecer primero cual es la funcion del amplificador, y cual la naturaleza de la ganacia que se pretende medir. Si el dispositivo se va a emplear como un amplificador de tension normalmente se lo hace trabajar con la salida en condiciones de carga proximas al circuito abierto, entonces, para determinar la ganacia de voltaje del amplificador, bastara con medir la misma sin carga conectada a la salida.
En cambio si se pretende medir la ganacia como amplificador de potencia, es necesariio conectar una carga igual a la que habitualmente se va a emplear en condiciones normales de funcionamiento, (que eventualemente puede ser igual a la resistencia de salida cuando se busca maxima transferencia de potencia). En ambos casos se debe dar junto con la especificacion de ganancia el valor de la impedancia de salida del dispositivo para que los datos suministrados sean de utilidad.). En esta parte del trabajo practico se determinara la ganacia de tension del amplificador.
Una de las formas mas comunes de expresar el valor de la ganacia de un amplificador es en decibeles, y la forma mas facil de determinarla es mediante el empleo de un osciloscopio determinando el valor eficaz de la señal de salida y de entrada que pueden ser convertidos en dBm si se conoce el valor de la resistencia del circuito sobre el que se mide (Rx) empleando la siguiente ecuacion:
[FORMULA]
Notese que al medir sobre circuitos cuya resistencia es de 600Ohm, la lectura en dBu es equivalente a dBm, de lo contrario debe efecutarse el calculo y la correccion de impedancia correspondiente. Esto es util y debe tenerse en cuenta para el caso de que pretenda hacer una medicion absoluta. En el poblema que nos ocupa, la ganacia de tension en dB, sera directamente la diferencia entre las lecturasen dBm a la salida y a la entrada del amplificador.
d)Medicion de la potencia de salida del amplificador.
La potencia de salida del amplificador se medira para la condision de resistencia de carga igual a la impedancia de salida del mismo, y para maxima excursion simetrica de la tension de salida, (es decir, sin recorte), para lo cual debera disponer los instrumentos de la misma forma que en el punto A.
e)Ensayo de la respuesta en frecuencia (ancho de banda) del amplificador.
En su forma mas elemental y simple, la respuesta en frecuencia de un amplificador cualquiera se determina efectuando un barrido de frecuencia, manteniendo constante el nivel de la señal aplicada a la entrada, que debe tener un valor suficiente para obtener la maxima tension de salida sin distorsion. El ancho de banda viene dado por los limites de frecuencia entre los cuales el nivel de salida no cae mas de 3dB respecto del valor para una frecuencia media.
En nuestro caso con el uso del software aplicado (Multisim) realizaremos una representacion de la resapuesta en frecuencia de la ganancia y la fase utilizando el instrumento el bode plotter y graficando la misma mediante la aplicacion del programa grapher.
f) Determinacion de la distorcion por diversos métodos.
La distorcion es un efecto por el cual una señal pura (de una unica frecuencia) se modifica apareciendo comonenetes de frecuencias armonicas a la fundamental. En el dominio del tiempo, esto significa que la forma de onda se denegera de una onda senoidal pura a una deformada, y en dominio de la frecuencia, la expresion matematicas se transforma de una expresion senoidal en una onda de Fourier de varias componentes. Cuanto mayor es la distorsion, mayor sera la cantidad de componentes de la onda de Fourier.
A continuacion mediante la utilizacion de software aplicado realizaremos el analisis de Fourier de la señal de salida, determinando el contenido armonico de la distorcion en la señal demodulada.
Eligiremos en la barra de herraientas del Multisim el menu Simulate analyses, Fourier Analisis.
Utilizando el programa Grapher grafique el espectro en el nodo de salida realice el calculo de la distorsion armonica total.
Con el valor de cda una de las componenetes resultantes del espectro de salida realice el calculo de la distorsion armonica total.
Recuerde que definimos al parametro distorcion armonica THD (Total harmonic distortion) como el cociente:
[FORMULA]
g) Partiendo de las mediciones y calculos de los parametros determinado en el circuito elabore una tabla de todas las caracteristicas tecnicas la etapa.
8. Diseñar una amplificador clase A con un grupo Darlington sabiendo que la potencia de salida es de 200mW y la tensión máxima excursión simétrica de señal sin deformación de salida es de 4 Vpk.
Calcular:
a) Caracteristicas del transistor utlizado.
b) Los calculos de diseño de la etapa.
c)Valores del punto de funcionamiento estatico.
d) Medicion del rendimiento de potencia de la etapa.
e) Calculo de la disipacion termica del transistor y diseño del disipador.
f) Medicion de la polarizacion y analisis grafico del punto de funcionamiento de los transistores.
g)Analisis de la respuesta en frecuencia del sistema.
h)Analisis de la distorsion armonica.
i)Partiendo de las mediciones y calculos de los parametros determinados en el circuito elabore una tabla de todas las caracteristicas tecnicas de la etapa.
9. Un amplificador clase A con acoplamineto por transformador, munistra a una carga Rl=16 Ohm una potencia de Pl= 2W.
Calcular:
a) Caracteristicas del transistor utilizado.
b)Los calculos de diseño de la etapa.
c)Valores del punto de funcionamiento estatico.
d)Determinacion de la relacion de transformacion, y las caracteristicas contructivas del transformador.
e) Medicion del rendimiento de potencia de la etapa.
f)Calculo de disipacion termica del transistor y diseño del disipador.
g)Medicion de la polarizacion y analisis grafico del punto de funcionamiento de los transistores.
h)Analisis de la respuesta en frecuencia del sistema.
i) Analisis de la distorsion armonica.
j) Partiendo de las mediciones y calculos de los parametros determinados en el circuito elabore una tabla de todas las caracteristicas tecnicas de la etpa.
10. Redacte las conclusiones finales del Trabajo Practico haciendo una sisntesis sobre los resultados obtenidos en el mismo.
1)
2)
3)
5)
6) a)
7) a) En esta parte lo que hicimos fue mostrar el circuito indicado y, averiguar la tension de salida y la impedancia de salida.
Vo = 1.856V
La impedancia de salida = 1.5Kohm
c)
La tension de salida es de 1.869V
La impledancia de entrada del amplificador es de 5Kohm
c) Medición de la ganancia de tensión del amplificador
La señal de salida del circuito
P = 5,209 mW
e)Ensayo de la respuesta en frecuencia (ancho de banda) del amplificador.
f)Determinacion de la distorcion por diversos métodos.
g)Partiendo de las mediciones y calculos de los parametros determinado en el circuito elabore una tabla de todas las caracteristicas tecnicas la etapa.
8) Diseñar un amplificador de clase A con un grupo Darlington sabiendo que la potencia de salida es de 200mW y la tensión máxima excursión simétrica de señal sin deformación de salida es de 4Vp
A) Características del transistor utilizado
b) Cálculos del diseño de etapa
f) Medicion de la polarizacion y analisis del grafico del punto del funcionamiento de los transistores
g) Analisis de la repuesta en frecuencia
h) Analisis de la distorcion armonica
i) Partiendo de las mediciones y calculos de los parametros determinados en el circuito elabore una tabla de todas las caracteristicas tecnicas de la etapa.
9) a) Caracteristicas del transistor utilizado.
2N6428
b)Los calculos de diseño de la etapa.
El diseño de un transformador está relacionando con todas estas cualidades del campo magnético. Ya sabemos que un transformador se utiliza cuando deseamos aumentar una tensión. También se lo utiliza para cuando deseamos reducir una tensión.
¿Entonces el transformador es un equivalente al atenuador resistivo? No, son dos cosas diferente aunque sirven para lo mismo. La diferencia es que el atenuador resistivo hace caer la tensión por efecto Joule (es decir transformado energía eléctrica en calor) y el transformador lo hace teóricamente sin generar calor. Decimos teóricamente porque nunca se puede conseguir un rendimiento unitario; el trasformador se calienta y transforma algo de energía eléctrica en calor pero es por un efecto secundario y no por su principio de funcionamiento.
Intuitivamente nos damos cuenta que el máximo rendimiento de un trasformador ocurre cuando todo el campo magnético que genera el primario pasa por adentro del secundario y esto a su ves significa que lo mejor que se puede hacer es encauzar el campo magnético por un camino de baja reluctancia (equivalente magnético de la resistencia eléctrica) y hacerlo pasar por adentro del secundario. Un buen material magnético es el hierro dulce y uno mucho mejor es una aleación de hierro y silicio.
En cuanto a la forma de este material, llamado núcleo del transformador; por lo general es de sección cuadrada o rectangular pero laminado de modo tal que no circulen corrientes intensas por su interior, la superficie de la chapa queda aislada por la oxidación (de cualquier modo no se requiere una resistencia de aislación muy grande). Lo mas importante para el alumno es entonces que el primario genera un campo magnético que circula por el núcleo y atraviesa el/los secundarios.
Las chapas del núcleo se colocan en forma entrelazada 1 a 1 o 2 a 2 y tienen dos formas que se complementan entre si; es el dibujo de una E y de una I que cierra las tres ramas de la E. A nosotros nos interesa el transformador como componente terminado y por esos no vamos a insistir mas sobre la forma de construirlos.
Si se aplica una tensión alterna en el bobinado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dentro del núcleo dependiendo de la amplitud y de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable originará por inducción una fuerza electromotriz en los extremos del bobinado secundario.
Los transformadores de potencia del WB Multisim son todos con un bobinado secundario que posee punto medio. Por razones didácticas en la figura 1 dejamos desconectado el punto inferior del secundario, ya que es preferible trabajar con un transformador de cuatro terminales.
Ya que el mismo campo magnético atraviesa ambos bobinados se puede asegurar que la relación entre la tensión aplicada al primario Ep, y la tensión inducida en el secundario Es, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario Np y secundario Ns. En forma de ecuación se puede escribir:
Ep/Es = Np/Ns (1)
Pero por el principio de conservación de la energía se puede asegurar que la potencia entregada al primario del trasformador y la que este le entrega a la carga deben ser iguales (en caso contrario estaríamos creando energía o estaría desapareciendo energía de algún tipo). Si consideramos el caso ideal de un transformador que no se calienta para nada, se podría decir que la potencia consumida por el primario es igual a la potencia disipada en la carga del secundario. En formulas, llamando Ip a la corriente del primario, e Is a la corriente del secundario:
Vp . Ip = Vs . Is > Vp/Vs = Is/Ip
que la (1) se transforma en
Vp/Vs = Is/Ip = Np/Ns
Esta particularidad tiene su utilidad en el transporte de energía eléctrica a larga distancia, al poder efectuarse el transporte con altas tensiones y pequeñas intensidades y por tanto pequeñas pérdidas.
Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario y aplicamos una tensión alterna de 110 Voltios en el primario, obtendremos 11.000 Voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación.
n = (PL/PCC) X 100
n= (2W/13W) x100
n = 15%
PDmax = ICQ x VCEQ
PDmax = 40V x 1,3A
PD max = 52 W
g)Medicion de la polarizacion y analisis grafico del punto de funcionamiento de los transistores.
h)Analisis de la respuesta en frecuencia del sistema.
BW =6990K
i) Analisis de la distorsion armonica.
j) Partiendo de las mediciones y calculos de los parametros determinados en el circuito elabore una tabla de todas las caracteristicas tecnicas de la etpa.
10. Redacte las conclusiones finales del Trabajo Practico haciendo una sisntesis sobre los resultados obtenidos en el mismo.
En este trabajo aprendimos a medir las distintas caracteristicas del transistor de potencia de clase A como icq, vceq, pcc,pl, pdmax etc .Tambien para medir este con un disipador o no. Incluyendo a manejar la distorsion armonica y el analisis fourier. Hasta buscar el mismo transistores por los calculos tomados.
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