Proyecto Final IGBT

7/26/2019 Proyecto Final IGBT

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UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOS DE CALDAS

TEMA: PROYECTO AMPLIFICADOR DE POTENCIA

ELECTRNICA II

DOCENTE: Ing. JOSE HUGO CASTELLANOS

PRESENTADO POR:

WILSON LANCHEROS Cdigo: 20131005087

DAVID FELIPE TORRES Cdigo: 20131005092

DAVID TUNAROSA Cdigo: 20131005046

BOGOT D.C.

17 DE NOVIEMBRE DE 2015


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INTRODUCCIN

Con lo visto en el curso se disea un amplificador de potencia orientado a la

aplicacin de audio, as mismo con lo visto en todo el curso y con las distintas

clases de amplificadores de potencia, se disear el amplificador clase AB, con

sus respectivas etapas.

MARCO TERICO

Amplificador de potencia (audio):La funcin del amplificador es aumentarel nivel de una seal, incrementando para ello la amplitud de la seal de entrada

mediante corrientes de polarizacin (voltaje negativo, voltaje positivo) enel transistor de salida.

Sonido: El odo humano es sensible nicamente a aquellas ondas sonoras cuyafrecuencia est comprendida entre los 20 Hz y los 20 KHz, lo que se denomina

espectro audible. Los sonidos inferiores a 20 Hz se llaman infrasonidos y a los

que estn por encima de 20 KHz se les llama ultrasonidos. Este espectro vara

segn cada persona y se altera con la edad. Los sonidos graves van desde 20 a

300 Hz, los medios de 300 a 2 KHz y los agudos de 2 hasta 20 KHz.

Estructura de una etapa amplificadoraLa etapa de potencia es la encargada de suministrar la potencia a los altavoces al

ritmo de la seal de entrada. Los altavoces son los que transforman la potencia

elctrica en potencia acstica. La estructura global de una etapa de potencia es la

siguiente (Por amplificador o etapa de potencia se entiende todo el conjunto

exceptuando el altavoz de la derecha):

Control de entrada:es el punto a donde llega la seal de entrada. Esta seccindefine la impedancia de entrada del aparato y es donde se selecciona el nivel de

amplificacin deseado. Aumenta un poco la tensin de la seal de entrada antes


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de pasarla al driver. Los mandos que controlan la potencia de salida trabajan

sobre esta etapa.

Driver: es la encargada de excitar la etapa de potencia. Para ello amplifica

mucho la seal que recibe del control de entrada para elevar mucho su voltajeantes de pasarla a la etapa de amplificacin.

Etapa de potencia o de salida:Es la encargada de dar la potencia necesaria ala seal. La seal que recibe tiene mucho voltaje, pero muy poca intensidad. Esta

etapa es la que proporciona varios amperios de intensidad de corriente elctrica

a la seal, sin embargo, apenas aumenta el voltaje que traa desde el driver.

Maneja tensiones y corrientes muy elevadas y es la que ms recursos energticos

demanda de la fuente de alimentacin, es decir la que ms consume. Esta es la

etapa que se conecta al altavoz, donde se consume la energa elctrica,transformndose en movimiento que genera ondas acsticas y calor

Fuente de alimentacin:es un dispositivo que adapta la electricidad de la redelctrica general, para que pueda ser usada por las distintas etapas. Estas fuentes

de alimentacin suelen ser simtricas. Tiene que ser suficientemente grande para

poder abastecer a la etapa de salida de toda la energa que necesita en el caso de

estar emplendose el aparato a plena potencia. Un punto dbil de las etapas de

potencia suele ser la fuente de alimentacin, que no puede abastecer

correctamente a la etapa de salida. Por ejemplo: una etapa de potencia estreo

tiene que duplicar las tres etapas (entrada, driver y salida) y puede usar una

fuente de alimentacin para todos. Los equipos de calidad estreo incorporan dos

fuentes de alimentacin, una por canal.

Protecciones:las etapas de potencia actuales incorporan diversas medidas deproteccin contra avera, que son ms o menos sofisticados en funcin de la

calidad y coste del equipo. Pueden ir desde el tpico fusible a dispositivos activos

de control de potencia. Las protecciones que se pueden encontrar normalmente

son:

- Proteccin electrnica frente a cortocircuito y circuito abierto.

- Proteccin trmica para transistores de salida y transformador.

- Proteccin contra tensin contina.

- Proteccin contra sobrecarga.

- Proteccin contra transitorio de encendido.

Clase AB

Los amplificadores de clase AB reciben una pequea polarizacin constante en su

entrada, independiente de la existencia de seal. Es la clase ms comn en audio,


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al tener alto rendimiento y calidad. Estos amplificadores reciben su nombre

porque con seales grandes se comportan como una clase B, pero con seales

pequeas no presentan la distorsin de cruce por cero de la clase B.

Tienen dos transistores de salida, como los de clase B, pero a diferencia de estos,tienen una grande corriente de polarizacin fluyendo entre los terminales de base

y la fuente de alimentacin, que sin embargo no es tan elevada como en los de

clase A. Esta corriente libre se limita al mximo valor necesario para corregir la

falta de linealidad asociada con la distorsin de cruce, con apenas el nivel justo

para situar a los transistores al borde de la conduccin. Este recurso obliga a

ubicar el punto Q en el lmite entre la zona de corte y de conduccin.

Disipador

Es un instrumento que se utiliza para bajar la temperatura de algunoscomponentes electrnicos. Su funcionamiento se basa en la ley cero de la

termodinmica, transfiriendo el calor de la parte caliente que se desea disipar

alaire.Este proceso se propicia aumentando la superficie de contacto con el aire

permitiendo una eliminacin ms rpida del calor excedente.

Calculo:

Al igual que en los circuitos elctricos, se puede definir una Ley de Ohm en los

circuitos de flujo de calor. Pero antes identifiquemos los elementos trmicos

equivalentes a sus anlogos elctricos. As, el papel de la fuente de tensinelctrica (por ejemplo una batera) lo cumple el componente que genera el calor

que se desea evacuar. El papel de masa de un circuito elctrico lo tiene el aire, que

supondremos a una temperatura de unos 25C. La diferencia de tensin elctrica

encuentra su homlogo en la diferencia de temperatura. La potencia generada en

forma de calor en el componente tiene su equivalente en la corriente elctrica

entregada por la fuente de tensin. Por ltimo, la resistencia elctrica tiene su

reflejo en la resistencia trmica medida en C/W (grados centgrados por vatio).

Con estos elementos podemos ya formular la Ley de Ohm trmica:

Donde:

Tj= Temperatura mxima de la unin del elemento semiconductor.

Ta=temperatura del ambiente.

P= potencia consumida por el componente.

Rth t = resistencia trmica total entre el elemento y el ambiente.
https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_cero_de_la_termodin%C3%A1micahttps://es.wikipedia.org/wiki/Ley_cero_de_la_termodin%C3%A1micahttps://es.wikipedia.org/wiki/Airehttps://es.wikipedia.org/wiki/Airehttps://es.wikipedia.org/wiki/Ley_cero_de_la_termodin%C3%A1micahttps://es.wikipedia.org/wiki/Ley_cero_de_la_termodin%C3%A1mica


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Llegados a la conclusin de que el disipador es necesario tendremos que realizar

un clculo que nos oriente sobre el disipador que debemos usar. Este montaje

tiene el siguiente circuito trmico, o de flujo de calor, asociado:

Por la analoga con los circuitos elctricos se puede ver que:

+ + Con lo que la Ley de Ohm trmica podr expresarse as:

+ +

Lo que se pretende hallar es Rth d-amb, debiendo de ser conocidos el resto de

parmetros (por el data sheet del componente y por un clculo de la potencia que

deba disipar dicho componente). As, despejando de la Ley de Ohm trmica el

valor de Rth d-amb tendremos que:

( + )

Por regla general, Rth c-d se puede tomar entre 0.5 y 1C/W siempre y cuando la

unin que se haga entre el componente y el disipador sea directa (sin mica

aislante) y con silicona termo-conductora. Si esta unin se efecta con mica y sin

silicona estaremos hablando de resistencias trmicas de contacto entre 1 y

2C/W. Si necesitamos usar mica para aislar tambin podemos aplicar silicona

termo-conductora, en cuyo caso la resistencia estara comprendida entre 1 y

1.5C/W.


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COMPONENTES UTILIZADOS: Los componentes usados para el desarrollo

de la prctica fueron:

Transistor 2N2222A (Metlico baja potencia)

Diodos de alta velocidad 1N4148

Transistor 2N2905

Resistencias comerciales

Transistores IGBT GT20D101 (Similar)

Transistor TI31 / 32 o similar

Condensadores de 0.1uF, 10 uF, 530uF, 1000 uF, electrolticos para

el respectivo acople y desacople.

Carga de 8 ohm a 20W (Parlante)

Disipadores para TO220

DISEO

Se procede a disear un amplificador de potencia (aplicacin audio) en contrafase

y funcionando en clase AB (por espejo de corriente y simetra complementaria) y

una pequea etapa amplificador compuesta por un transistor.

Potencia escogida:Se escoge 30 watts como potencia mxima (en la prctica

esta potencia es menor, pero se procura un incremento para tener asegurado la

potencia requerida de 20 watts)

Frecuencia Inferior de corte: Se elige 20 Hz como frecuencia mnima.

El diseo se da de derecha a izquierda. Suponiendo una potencia de 30W sobre

un parlante de 8

Pasos

1. Clculo de la fuente de alimentacin:

Como P VL IL por ser carga resistiva, adems

VLIL

RL Resulta que

2VLPL

RL

VL representa valor eficaz. Al estar el amplificador con alimentacin

simtrica, la Vmx en la carga es Vcc. Entonces:


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max

2 2

V Vcc L De donde se tiene que

2

2

VccPL

RL y despejando Vcc se

llega a 2cc PL RL , sustituyendo se tiene que:

2 30 8 23Vcc v

La fuente de alimentacin a usar es de (+/- 23v).

La corriente mxima que suministra cada fuente es:22

2.758

VccIc A

RL

2. Transistores de potencia:

Los transistores Q5 y Q6 tienen las siguientes caractersticas (Ver

datasheet)

23Vds V , 2.75Id A

Son transistores de potencia.

**Al solo poseer un IGBT para el diseo GP30NC60K (30A-600v), para la

etapa amplificadora se usa en el diseo, como la clase AB se escogi para

este diseo se hace uso TIP 31 en reemplazo del IGBT canal P.

3. R9 y R11

Las resistencias se escogen pequeas como medida de proteccin el valor

escogido para el diseo fue de 0.47 . Al estar en el rea de potencia, se es

necesario calcular la potencia disipada:

2 2

9 0.47 (2.75) 3.55

RP R I w

Entonces R9 y R11 son resistencias de 0.47 y con capacidad de

disipacin superior a 3.55w.

4. R8

Se requiere conocer la corriente y la diferencia de potencial en los

extremos. Despreciando la cada de tensin en la resistencia de 0.47 , la

tensin en la base de Q6 es 1.4v

Se toma para R4 una corriente ligeramente superior para garantizar la

conduccin de los diodos y el transistor Q2. En este caso se toma 5mA

2 23 1.48 4120

5

Vcc Vbe v v R

I mA

5.

Calculo de C4


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Este condensador est garantizando la unin de los transistores en la

transmisin de la seal alterna. El clculo se hace aproximado, ya que no

es crtico su clculo exacto. Donde

25 25

55

mv mV

rd I mA

. Entonces:

1 14 530

2 (3 ) 2 20 (3 5 )C uF

fl rd hz

6. Diodos D1, D2 y D3

Para este caso como la corriente que circula es pequea 5mA. Se usa

cualquier referencia de Diodos de velocidad rpida 1N4148

7. Transistores Q1, Q2

Como la corriente es muy pequea se puede usar transistores de tensin ycorriente reducida, transistor escogido NPN 2N2222 (con 100 )

8. R5, R6 y R7

R5:Se calcula para una corriente superior a la de la base de Q2

2 52 0.05

2 100

Ic mAIb mA

Se toma una corriente de 1mA (para despreciar la de la base)

2.2 0.75 2.91

Vcc v v R kIc mA

R6: La corriente es de 1mA, por ende la diferencia de potencial en los

extremos es:

V=23-(-19.1)=42.1V

41.16 41100

1

vR

mA

R7: Se calcula para un correcto funcionamiento de este transistor Q2,

para la variacin de cualquier seal de entrada, en donde se escoge una

cada de Vcc/10, es decir 2.2v

2.27 440

5

Vcc v R

Ic mA

9. R3 y R4

Se toma una corriente de colector de 10mA, un punto de funcionamiento

para la clase A y una tensin de 1.2v, con estos datos se proceden a calcular

las resistencias


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1.23 220

10

Ve vR

Ic mA

Usando Realimentacin en serie para obtener mejores resultados y al tener

unja seal de entrada muy pequea se escoge una ganancia de 44,

l'44 Rl'=Rc=880

Re

R

Entonces880

re 2044

Ahora en el Colector de Q1 se tiene la siguiente tensin:

231.2 13.2

2 2

VccVc Ve Vce Ve v

Por ende tenemos la R4

22 13.23 880

10

Vcc Vc v v R

Ic mA

La ganancia de la etapa considerando el diseo es de 44 aproximadamente

Donde la impedancia est dada por:

2 5|| 6|| ( 2 7) 2553Ze R R rd R

10.Clculo de R1 y R2

La corriente de base de Q1 es ib1=ic/100= 0.1mA, al tomar una corriente

por R2 diez veces superior para aproximar I0=1mA. Donde la tensin de

Base de Q1 es:

1 1 1 2.2 0.7 1.9Vb Ve Vbe v

2.91 2900

1R

mA Y

1 22 2.92 19100

1

Vcc Vb v v R

Io mA

11.Impedancia de entrada

Usando lo visto en el curso de electrnica I se tiene que

1|| 2|| ( 1 3) 1092In

Z R R rd R

12.Clculo de C1, C3 y c9

Este se realiza a partir de la impedancia de entrada y de la frecuencia que

se estableci inferior de corte


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C1:1 1

1 8 102 2 20 (1092 )

C uF uF fl Ze hz

C3:

1 1

3 2.3 102 ( 4 2) 2 20 (880 2553)C uF uF fl R Ze hz

C9:Como es de desacople se escoge un valor muy grande para este caso

100uF, en este caso solo se toma el criterio de realimentacin

13.Clculo de ltima etapa

R15 tiene el mismo valor de la impedancia 4 + 1

0.14 104=104 4 + 1

= 10 101111 4 9.094 1.1 Que es la impedancia de entrada de la otra etapa

10

4

+

+

4 55; 550

3 ; 3 12.75

3 1 3 1.2

14.Clculo de disipadores

Para el caso del TIP 31 a 30W y con temperatura ambiente de 25C.

Entonces:

150 mxJ

T C , por ende se toma, 100J

C (por seguridad), Ahora

tenemos

150 75= 2.5 /

30

j C

THJ C

D

T T C CR C W

P W


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Donde se toma: 1 /THC D

R C W

. Ahora en la frmula para saber si

tenemos que usar disipador reemplazamos.

j aTH d amb TH J C TH C d T TR R Rp

100 25 2.5 / W 1 / W0

1 W3

/TH d amb

w

c cR c c c

Ahora para el IGBT se tiene lo siguiente haciendo igual en relacin al BJT

150 mxJ

T C 150 mxJ

C , por ende se toma, 100J

C (por

seguridad), Ahora tenemos:

thj-caseR 0.675 /c W Y thj-ambR 62.5 /c W

100 25 0.675 / W 1 / W 0.82 /30

5 WTH d amb

c cR c

wc c

Lo que nos dice que toca poner un disipador a este componente

Figura 1 Amplificador de Audio


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SIMULACIN DEL AMPLIFICADOR RESPUESTA TEMPORAL

Figura 2 Amplificador de potencia diseo

Resultados obtenidos para una seal de entrada de 100mVp

Figura 3 Seal en extremos del altavoz

Sin embargo no se puede alcanzar la potencia deseada, como se ve se dise para

una potencia de 30 w conociendo que est disminuira, menos de 25 watts, sin

embargo las limitaciones impuestas por R7 y R8 afectan el transistor Q2 y debido


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a que no se tuvo en cuenta las prdidas en las resistencias de 0.74 . Una posible

solucin en el caso que se desee alcanzar la potencia de diseo es aumentando el

valor de las fuentes de alimentacin y comprobar los resultados mediante

pruebas o simulaciones, para alcanzar la potencia realizando ajustes y para llegar

a 30w se deben colocar fuentes de alimentacin de 35v. Para reducir las prdidas

y hacer que la mxima tensin este en el altavoz se recomienda ajustar en la

prctica la resistencia R7, o sustituir por un potencimetro.

Figura 4 Seal en extremos del altavoz reajustado amplificador


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SIMULACIN POTENCIA ALTAVOZ

Figura 5 Corriente RMS en el altavoz Figura 6 Voltaje RMS en el altavoz

Como se puede ver en RL la corriente es de 7.5A y el

voltaje es de 3.4V (**Aclarando que los valores son

eficaces)

7.5 3.4 25.5RMS RMS

PL V I A V watts

Las variaciones de las corrientes de polarizacin no

afectan el circuito. El circuito se ha ajustado al valor

de potencia requerido 20 watts, minimizando lasprdidas generadas en los componentes. El nico cambio es aumentar la fuente

de alimentacin que debe ser simtrica si se maneja a dos fuentes.

SIMULACIN DEL AMPLIFICADOR RESPUESTA TEMPORAL

La respuesta en frecuencia del amplificador (Diagrama de Bode) es: Como se

puede observar abarca el espectro audible para el cual fue diseado

Figura 7 Respuesta en frecuencia del amplificador


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Figura 8 Frecuencia inferior de corte

Se puede ver que la frecuencia inferior de corte est por debajo de los 20Hz, lo

cual es bueno para un amplificador de audio.

Figura 9 Diagrama de Fase

Se puede ver que la frecuencia superior de corte est por encima de 1MHz, lo cual

es bueno para un amplificador de audio y el FT mayor a 10MHz.


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ANLISIS ESPECTRAL

Tabla 1 Anlisis espectral con respecto a la salida

Figura 10 Anlisis espectral

ANALISIS

En el diseo de este amplificador se pens en uno de los factores ms importantes

como el intentar abarcar el espectro audible (20Hz 20kHz), as mismo, los

requisitos que debe cumplir es poder dar una potencia mayor o igual a 20W, es

importante a la hora de realizar un diseo, calcular un incremento de esta

potencia, como bien se sabe, la potencia se disminuye por efectos de prdidas en

materiales, sin embargo al conocer esto se us la potencia de 30w, en el diseo,

el clculo de las etapas previas a la de potencia, se calcularon con valores que

puedan abarcar seales grandes para evitar la distorsin de esta, por otra partees importante aclarar que las fuentes son importantes de tener en cuenta para la

potencia estimada como se conoce disminuye por distintos factores, la

realimentacin se us para evitar distorsin al momento de recibir la seal, se

pens tambin en los condensadores ya que estos juegan un papel muy

importante para fijar la frecuencia inferior de corte, que se fij como 20Hz, por

otra parte la simulacin dio viabilidad para el diseo propuesto, este modelo se

puede implementar con BJT, JFET, IGBT y MOSFETS (etapa de potencia)


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depende la referencia del voltaje a manejar, y de la corriente que vaya a manejar.

Es importante el uso de disipadores para la etapa de potencia, no es obligatorio

pero se recomienda. Finalmente como se puede observar se tiene un anlisis

espectral de casi 1 voltio en la fundamental, mientras que los otros armnicos son

muy bajos. Presenta una buena definicin de la seal de entrada amplificada.

CONCLUSIONES

Para el diseo de amplificador de potencia es importante tener en cuenta

los diversos requisitos, las etapas en donde se amplifica la seal de entrada.As mismo, se evidencio por perdidas en los elementos la disminucin de

potencia, el diseo se realiz a dos fuentes sin embargo lo esperado, se cae

ms de un 10 por ciento, en las pruebas se efectuaron ajustes a estas

medidas como el aumento de la tensin de manera simtrica y tambin

algunos detalles de precisin en las resistencias.

La importancia de calcular y de examinar la correspondiente temperatura

de los elementos de alta potencia, es necesario verificar si se es necesario

usar disipadores para este transistor ya que en caso de no hacerlo el

transistor se daa, debido a sus caractersticas.

Es importante determinar la etapa preamplificadora sin distorsin es por

eso que se us realimentacin en serie para generar una gran ganancia y

as ingrese al drive con un muy buen voltaje y una corriente adecuada.

El uso de la clase AB es una de las ms comunes, sin embargo esta nos

consume un poco de energa y las prdidas generadas por estas son

grandes en comparaciones con otras clases.

Verificar el espectro del amplificador es importante, ya que entre menos

armnicos se presenten nos genera una buena calidad de sonido.

El diseo al hacer un amplificador de potencia y ms en la aplicacin de

audio es recomendable tener en cuenta que abarque seales mucho ms

grande para evitar distorsin o recortes, una de los factores ms

importantes es estudiar y verificar las referencias respecto a corriente y

voltajes que se manejan, para evitar daos en el circuito.


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REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

Louis Nashelsky, Electrnica: teora de circuitos y dispositivos

electrnicos; Octava Edicin; Pearson

Tomasi; Sistemas de comunicaciones electrnicas; Prentice Hall

Circuitos Microelectrnicos; Rashid

Douglas Self, Audio Power amplifier Design Handbook; Tercera

edicin; Newnes

www.learnabout-electronics.org/Amplifiers/amplifiers55.php

Apuntes de Clase

Documents

Proyecto Final IGBT