Etapa De Salida 5n3a4c

1

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍAS ÉLECTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES

Perfecta combinación entre energía e intelecto

Diseño de una etapa de salida clase AB Ricardo Vargas Ramírez. 2072070, Juan Felipe Mejía. 2073672, Alberto Patiño Saucedo. 2090464  Resumen— En el siguiente informe se explica el diseño de la etapa de salida clase AB. Se busca comprender sus ecuaciones matemáticas así como que parámetros de los componentes semiconductores son relevantes en este tipo de circuitos.

I. INTRODUCCIÓN Una etapa de salida es un circuito electrónico analógico que usa transistores. Este circuito tiene como función reducir la resistencia de salida de un circuito más complejo para que pueda entregar una señal de salida a la carga sin pérdida de ganancia. En este tipo de circuitos la linealidad es un parámetro muy importante. Una medida necesaria en este tipo de circuitos es la distorsión armónica total (THD) que introduce. El requisito más complejo en el diseño de la etapa de salida es que entrega la cantidad pedida de potencia a la carga de una manera eficiente, lo cual implica que la potencia disipada en los transistores de la etapa de salida debe ser tan baja como sea posible. Las etapas de salida se clasifican de acuerdo con la forma de onda de corriente de colector que resulta cuando se aplica una señal de entrada. En la figura uno se puede observar la clasificación para el caso de una señal de entrada senoidal. La etapa clase A, tiene la forma de onda que se muestra en la figura 1(a), está polarizada a una corriente Ic mayor que la amplitud de la corriente de señal, entonces, el transistor conduce durante todo el ciclo de la señal de entrada. Por otra parte, la etapa clase B, cuya forma de onda se muestra en la figura 1(b), esta polarizado a cero corriente de cd. Así, un transistor conduce durante sólo la mitad del ciclo de la onda senoidal de entrada. Las mitades negativas de la onda senoidal serán producidas por otro transistor que también opera en el modo de clase B y conduce durante semiciclos alternados. La etapa clase AB, implica la polarización del transistor a una corriente de cd diferente de cero mucho más pequeña que la corriente de pico de la señal de entrada. Como resultado de esto el transistor conduce durante un intervalo ligeramente mayor a medio ciclo como se ilustra en la figura 1(c), se deduce que, durante los intervalos cerca de los cruces de cero de la entrada senoidal, ambos transistores conducen. La etapa clase C tiene un ángulo de conducción menor a 180 grados el resultado es la onda que se muestra en la figura 1(d).

Figura 1. Formas de onda de corriente de colector para transistores que operan en etapas de salida (a) clase A, (b) clase B, (c) clase AB (d) clase C

Para el desarrollo de la práctica es necesario diseñar una etapa de salida clase AB por lo cual se hará énfasis en ella, para explicar sus características principales. Es necesario hacer el diseño para una corriente de carga de 300mA una ganancia aproximada de uno y una distorsión armónica total menor al 2%. ETAPA DE SALIDA CLASE AB La distorsión de cruce prácticamente se puede eliminar si se polarizan los transistores de salida complementaria a una corriente pequeña pero diferente de cero . Esto se logra con el circuito mostrado en la figura 2 en la cual un voltaje de polarización VBB se aplica entre las bases de QN y QP. Suponiendo dispositivos acoplados,

El valor de VBB se selecciona para producir la corriente necesaria IQ de reposo.

2

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍAS ÉLECTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES

Perfecta combinación entre energía e intelecto Esto demuestra que para voltajes de salida positivos, la corriente de carga es suministrada por QN, que actúa como seguidor de emisor. Mientras tanto, QP estará conduciendo una corriente que decrece a medida que VO aumenta; para un VO grande, la corriente en QP puede despreciarse por completo. Ocurre lo contrario para tensiones de salida negativas. Esto hace que la etapa clase AB opere en forma similar a la B, con una importante excepción: para un V I pequeño, ambos transistores conducen, y a medida que VI aumenta o disminuye, uno de los dos transistores se hace cargo de la operación. Como la transición es muy uniforme la distorsión de cruce se elimina casi por completo. La figura 3 me muestra la curva característica de esta etapa.

Figura 2. Etapa de salida clase AB

OPERACIÓN DEL CIRCUITO Cuando VI se hace positivo, la tensión en la base de QN aumenta en la misma cantidad y la salida se hace positiva a un valor casi igual,

El VO positivo hace que una corriente IL circule por RL, y entonces IN debe aumentar, esto es,

Figura 3. Curva característica de la etapa de salida clase AB

POLARIZACIÓN USANDO EL MULTIPLICADOR DE V BE El aumento en IN será acompañado por un correspondiente aumento en VBEN, pero, como el voltaje entre las dos bases permanece constante en VBB, el aumento en VBEN resultara en igual decremento en VEBP y por lo tanto en IP. La relación entre IN e IP es:

Entonces, a medida que IN aumenta, IP decrece en la misma proporción mientras que el producto permanece constante. Al combinar las ecuaciones para sacar IN para una IL dada como la solución de la ecuación cuadrática.

Existen varios métodos para polarización esta etapa. Pero esta forma de polarizar presenta una mayor flexibilidad al hacer el diseño. El circuito que presenta este tipo de polarización se ilustra en la figura 4. Este circuito de polarización está formado por el transistor Q1 con un resistor R1 conectado entre base y emisor y una resistencia de retroalimentación R2 conectada entre colector y base. La red resultante de dos terminales se alimenta con una fuente de corriente constante Ibias. Si despreciamos la corriente de base de Q1, entonces R1 y R2 llevarán la misma corriente IR, dada por:

Y el voltaje VBB en los terminales de la red de polarización será

3

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍAS ÉLECTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES

Perfecta combinación entre energía e intelecto

Por razones de mercado no es posible encontrar estos valores en resistencias discretas por lo cual use resistencias de 350 y 354. III. TABLA DE SELECCIÓN DE COMPONENTES Los componentes activos usados en el filtro son transistores BJT en los cuales los parámetros más relevantes en el diseño de la etapa de salida son la corriente de colector y la corriente de base, en la tabla 1 se muestran estos parámetros y se escoge uno de los pares de transistores.

Figura 4. Etapa de salida clase AB que utiliza un multiplicador VBE para polarización

Entonces el circuito multiplica VBE1 por un factor (1+R2/R1), y se conoce como multiplicador de VBE. El factor de multiplicación se usa para establecer el valor de VBB requerido para obtener una corriente IQ de reposo deseada. II. DISEÑO Para el diseño se asumieron los valores de VT e Is ya que estos parámetros son de fabricación y en las hojas de datos no pude encontrarlos, así que tome los que usaban en el libro de SEDRA. IS = 10-14 A y VT = 0,0276 V. Asumí una corriente de reposo IQ = 6mA

Referencia Ic(A) IB(A) TIP41 6 2 TIP42 -6 -2 2N2222 0,6 0,1 2N2907 -0.6 -0,1 BD135 1,5 0,5 BD136 -1,5 -0,5 Tabla 1. Comparación de transistores

Para la etapa de salida que se está diseñando, cualquiera de los transistores puede servirnos para usarlo en nuestro diseño ya que todos satisfacen los requerimientos de la practica. Se eligió el TIP41 Y TIP42 porque los otros dos quedan muy ajustados a los requerimientos máximos solicitados. IV. SIMULACIÓN Se realizó la simulación con dos transistores de la lista. El esquema usado para las simulaciones y el montaje práctico se puede ver en la figura 5.

Como la corriente de pico positiva es de 300mA y mi corriente de base de QN puede ser de hasta 6mA entonces escojo una corriente de bias Ibias = 9mA. Dando al multiplicador una corriente mínima de 3mA en reposo VO = 0 e IL = 0 la corriente de base de QN es despreciable por lo tanto la corriente I bias circula por el multiplicador por lo tanto escojo los valores de I R = 2mA e IC1 =7 mA. Para obtener una corriente de reposo de 6 mA en los transistores de salida VBB es: Asumiendo que R1 + R2 = 704 1.408v Como IC1 = 7mA entonces

Figura 5. Esquema de la etapa de salida clase AB

4

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍAS ÉLECTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES

Perfecta combinación entre energía e intelecto

Para las pruebas con los dos transistores se usó el mismo circuito y se obtuvieron los siguientes resultados: 2.0m

a.

Para el TIP41 y TIP 42

La figura 6 me muestra un barrido en el tiempo de la señal de entrada y la señal de salida y se puede observar que a una frecuencia de 1KHz la señal de salida casi igual a la señal de entrada y la corriente de carga es mayor a 300mA. 5.0V

1.0m

0 0.44KHz

2.00KHz 4.00KHz -I(R9) V(R9:B) Frequency

6.00KHz

Figura 8. FFT de la tensión de salida

0V

∑

-5.0V 0s

0.5ms 1.0ms V(V9:+) V(R9:B) Time

1.5ms

2.0ms

P0 = P1 = P2 = P3 = P4 = P5 =

Figura 6. Tensión de entrada y salida en el tiempo

En la figura 7 se puede observar la corriente en la carga. 400mA

THD = 4,89*10-5 %

200mA

b.

Para el 2n2222 y 2n2907

0A

La figura 9 me muestra un barrido en el tiempo de la señal de entrada y la señal de salida y se puede observar que a una frecuencia de 1KHz la señal de salida casi igual a la señal de entrada y la corriente de carga es mayor a 300mA.

-200mA

0s

0.5ms -I(R9)

1.0ms

1.5ms

2.0ms

5.0V

Time

Figura 7. Corriente en la resistencia de carga

En la figura 8 hacemos la transformada de Fourier a la tensión de salida para calcular el THD tomo los valores para los primeros 5 armónicos.

0V

-5.0V 0s

0.5ms 1.0ms V(R3:1) V(R1:B) Time

1.5ms

Figura 9. Tensión de entrada y salida en el tiempo

2.0ms

5

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍAS ÉLECTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES

Perfecta combinación entre energía e intelecto En la figura 10 se puede observar la corriente en la carga. THD = 0,7 % 400mA

Haciendo el análisis de la simulación se obtuvieron los datos de la tabla 2. Referencia TIP41 TIP42 2n2222 2n2907

0A

fc(KHz)

Vin(Vp)

THD(%)

1

4

4,89*10-5

1

4

0.7

Tabla 2. Comparación de los filtros de dos OPAM -400mA 0s

0.5ms -I(R1)

1.0ms

1.5ms

2.0ms

V. DATOS DEL MONTAJE Time

Figura 10. Corriente en la resistencia de carga

En la figura 11 hacemos la transformada de Fourier a la tensión de salida para calcular el THD tomo los valores para los primeros 5 armónicos.

Figura 11. FFT de la tensión de salida

En el desarrollo de la práctica se conectaron los componentes electrónicos en el protoboard como en el esquema mostrado en la figura 5 y usando el osciloscopio se graficaron las señales de entrada y salida para 1KHz. En el circuito se usó el TIP41 y TIP42 se usaron los valores de las resistencias que están en la simulación. Estos resultados se pueden ver en la figura 12

Figura 12. Tensión de entrada y salida en el tiempo

∑ Figura 13. Tensión de entrada y la FFT

La grafica 13 me muestra la tensión de salida y su transformada de Fourier en ella se puede ver que el armónico de la frecuencia fundamental es mucho mayor a los demás armónicos. P0 = P1 = P2 = P3 = P4 = P5 =

En la tabla 3 se hace un resumen de los valores más significativos obtenidos de las gráficas. Referencia TIP41 TIP42

fc(Khz)

Vin

Vout

1

12.9

12

Tabla 3. Valores significativos

6

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍAS ÉLECTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES

Perfecta combinación entre energía e intelecto

VI. CONCLUSIONES 1.

Para la etapa de salida los parámetros más relevantes son la IB y la IC pero todos los transistores escogidos para la comparación cumplían con los requisitos planteados para el diseño.

2.

La razón por la cual se escogió el TIP41 y TIP42 fue que tenían las mejores características para el desarrollo de la actividad.

3.

La tensión VBB no debe ser ni muy grande ni muy pequeña ya que ocasionaría un mal funcionamiento en la etapa de salida.

VII. REFERENCIAS Electrónica: Teoría de Circuitos. Boylestad Robert L, Nashelsky Louis. 6th Edition. PH s.a. Circuitos Microelectrónicos. Sedra Addel S, Smith Kenneth C. 4 th Edition. Oxford University Press.