Cálculos de potencia Amplificador Operacional

Cálculos de potencia Amplificador Operacional

junio 8, 2021 0 Por Guillermo Huerta

En el análisis de etapas de salida es importante realizar cálculos de potencia para cualquier amplificador operacional. Los transistores tienen limitaciones sobre la cantidad de potencia que pueden suministrar o disipar, cuyo valor no debe superar un máximo establecido por el fabricante. A su vez, la etapa de salida debe proporcionar una determinada potencia a la carga.

Tipos de Cálculos de potencia Amplificador Operacional

Potencia promedio (average)

La potencia promedio suministrada o disipada por un circuito lineal o no lineal se define como

siendo V(t) e I(t) la tensión y corriente que circula por el circuito y T el periodo. En la práctica, un amplificador tiene dos componentes: DC y AC (que por sencillez se considera del tipo sinusoidal). De esta manera, las tensiones y corrientes se pueden expresar como:

Sustituyendo 7.2 en 7.1 resulta que la potencia promedio es

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puesto que las componentes v(t) e i(t) son sinusoidales con un valor promedio nulo, es decir,

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La ecuación 7.3 indica que la potencia promedio suministrada (o consumida) por un circuito tiene dos componentes, uno relativo a términos de corriente continua y otra a términos de corriente alterna, supuesto que las componentes de tensión e intensidad tienen valor promedio nulo.

La potencia promedio de una componente sinusoidal también puede expresarse en términos de valores eficaces como

En el caso de que v(t) e i/t) sean señales sinusoidales, resulta que ef = Vo/ √2e I ef = Io / √2, siendo Vo e Io las amplitudes. Por ejemplo las tensiones de 220V de la red eléctrica es un valor eficaz que corresponde a una tensión pico de 220 √2 = 311V. Como resultado, la ecuación 7.5 se transforma en:

Potencia promedio entregada a una carga resistiva

La potencia promedio entregada a una carga resistiva de valor R L suponiendo solamente componentes sinusoidales, se obtiene aplicando la ecuación 7.1

Si se considera que la intensidad es sinusoidal, i(t) = Io cos wt, la ecuación 7.7 se transforma en:

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Potencia promedio suministrada por una fuente de alimentación

Una fuente de alimentación mantiene la tensión constante (Vcc) mientras la intensidad varía con el tiempo. Suponiendo corrientes sinusoidales, la potencia promedio suministrada por una fuente de alimentación viene dada por:

es decir, solamente depende de sus componentes DC y es independiente de las corrientes en alterna.

Rendimiento

El rendimiento (η) se define como la relación entre la potencia promedio en alterna disipada por la resistencia de carga y la potencia suministrada por las fuentes de alimentación al circuito, y se expresa como

El rendimiento es un parámetro muy importante en las etapas de salida ya que proporcionan una medida del porcentaje de potencia suministrada por las fuentes de alimentación que es desviada a la carga. Su valor está comprendido 0≤η≤1. Un rendimiento bajo η<0.25 indica que la mayoría de la potencia es disipada por los dispositivos del circuito de forma que un porcentaje muy bajo se destina a la carga. Por el contrario, una valor alto (η>0.75) indica que la carga es el elemento que recibe mayor aportación de potencia.

Cálculos de potencia Amplificador Operacional

En la figura 7.3.a se presenta la estructura básica de una etapa de salida clase B (push-pull). Utiliza transistores NPN y PNP que deben ser complementarios, es decir, de idénticas características para lograr una simetría en su modo de operación. Obsérvese como ambos transistores operan como seguidor de emisor con una ganancia en tensión muy próxima a 1.

La figura 7.3.b muestra la VTC de este circuito. Para vi=0, ambos transistores se encuentran en corte (V0=0) y el consumo estático corriente es nulo (modo standby). Si se incrementa la tensión de entrada hasta que Q1 entra en conducción, vi>VBE1 (on), entones aparecen al verificarse VBE2>0.

A partir de ahora, Q1 opera en la región lineal hasta alcanzar la saturación (vi>Vcc+VBE1-VCE1(sat)). Similares resultados se obtienen para vi<0 siento ahora Q2 el transistor que entra en la región lineal con una tensión máxima de salida limitada por la región de saturación (vi<-Vcc-VEB2+VCE2(sat)), sient siempre Q1 en corte.

Resumiendo, con vi>VBE1(on) Q1 esta en conducción y Q2 en corte y con vi<-VEB2(on) Q1 esta en conducción y Q2 en corte. Además existe una zona muerta -VEB2(on) < vi < VBE1 (on) que ambos transistores están en corte.

Esta característica introduce una distorsión de salida, denominada distorsión de cruce (crossover), cuyo efecto puede observarse claramente en la figura 7.4. En la curva de la izquierda se observa una señal de entrada con diferentes amplitudes y en la derecha la tensión de la salida. En el caso 1, una señal de entrada de amplitud pequeña resulta fuertemente distorsionada; esto debido al rango de valores necesarios para que algún transistor entre en conducción (2VBE(on)).

En el caso 2, al tener la señal de entrada suficiente amplitud este efecto es menor importante pero sigue existiendo un intervalo nulo de tensión en la salida cuando -VBE2(on)<vi<VBE1(on).

En el caso 3 una amplitud excesiva a la entrada origina recorte (clipping) a la salida; claramente se puede observar en la VTC de la figura 7.3.b los límites máximos de salida.