Amplificadores de baja potencia

Índice
Amplificador Clase B 4
Análisis para señal 6
Bibliografía 12
Circuito en contrafase 5
Clases de operación 7
Conclusión 11
Distorsión 8
Funcionamiento en clase B 4
Introducción 3
Objetivo General 2
Objetivos específicos 2
Recta de carga para continua 5
Recta de carga para señal 6
Objetivo General
• Comprobar las principales características de un amplificador de baja potencia de tipo clase B.
Objetivos específicos
• Determinar las diferentes clases de operación de los amplificadores, para así hacer una comparación
con el elegido.
• Analizar el funcionamiento específico de éste tipo de amplificador.
• Determinar ventajas y desventajas del amplificador en estudio.
Introducción
En esta segunda clase de amplificación encontramos la peculiaridad de no disponer de corriente a través de los
transistores si no existe una señal de audio presente. La propia señal de excitación polarizará a los transistores
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para que entren en conducción y así exciten a su vez a los altavoces. Esta característica hace especialmente
indicados a estos tipos de amplificadores en equipos alimentados por baterías, ya que el consumo está
íntimamente ligado al nivel de señal de entrada. Hablando de forma genérica, podríamos afirmar que la
calidad en la amplificación de estos equipos es menor y su utilización se adecuaría a aplicaciones que no
requieran demasiadas exquisiteces, como pueden ser sistemas telefónicos, transmisores de seguridad
portátiles, sistemas de aviso, etc.
Los amplificadores de clase B tienen una gran desventaja, una distorsión audible con señales pequeñas. Esta
distorsión puede ser tan mala que lleva a notarse con señales mas grandes. Esta distorsión se llama distorsión
de filtro, porque sucede en un punto que la etapa de salida se cruza entre la fuente y la corriente de
amortiguación. No hay casi amplificadores de clase B hoy en día a la venta. Los amplificadores de clase C son
similares a los de clase B en que la etapa de salida tiene corriente de polarización cero. Sin embargo, los
amplificadores de clase C tienen una región de corriente libre cero que es mas del 50% del suministro total de
voltaje.
Amplificador Clase B
Diversos arreglos de circuito son posibles para obtener la operación push−puIl. consideraremos unos cuantos
de ellos, incluyendo sus ventajas y desventajas. Es importante tener en mente la operación completa del
circuito a fin de apreciar los diferentes métodos que se emplean para obtener las ventajas de la operación
push−pull. En 4 circuito push−pull es necesario desarrollar el voltaje de salida a través de la cara de tal
manera que las dos etapas que operan en la clase B proporcionen un ciclo completo de señal conduciendo en
medios ciclos alternados.
Al iniciar con una señal de entrada obtenida de una etapa amplificadora de excitación, es necesario operar el
circuito push−pull de dos etapas en medios ciclos alternados para la operación clase B. Las señales de entrada
de polaridad opuesta a 14 dos etapas del circuito push−pulI pueden obtenerse de diversas maneras. La figura
se muestra el empleo de un transformador de entrada para brindar la inversión de polaridad entre las dos
señales de entrada push−pull. Con un secundario con derivación central, la polaridad del voltaje en los
extremos del transformador con respecto a la derivación del centro es opuesta. Los valores de las resistencias
y hfe pueden elegirse de manera que la ganancia de voltaje correspondiente a la señal de salida del colector
sea igual a 1. La ganancia correspondiente a la señal tomada desde el emisor es 1 (operación de
emisor−seguidor). De este modo, el circuito produce señales de polaridad opuesta para accionar la etapa
push−pull del amplificador. La ventaja de esta etapa excitadora es el ahorro en la utilización de un
transformador con derivación central, que es costoso y voluminoso y que tiene un intervalo de operación de
frecuencia limitado. Una desventaja es que las dos señales no provienen de fuentes de impedancia similares.
La señal del emisor suministra una adecuada excitación, puesto que la resistencia de la fuente vista desde el
emisor es baja. Sin embargo, la resistencia del circuito colector es relativamente alta y, aunque las señales de
salida son iguales sin carga, difieren en condiciones de carga. Una posible mejora sería añadir una etapa más
de emisor−seguidor para conectar la salida a la carga, ya que dicha etapa no proporcionaría ganancia de
voltaje adicional o inversión de polaridad, sino que excitaría la etapa push−pulI a partir de una fuente de baja
resistencia.
Otros medios de obtener señales de polaridad opuesta para excitar la etapa push−pull se ilustran mediante el
diagrama de bloques de la figura. La señal de entrada se amplifica e invierte mediante una etapa amplificadora
y después se atenúa para una ganancia total igual a la unidad. El empleo de dos emisores seguidores
(posiblemente circuitos Darlington) excita la etapa push−pull desde las fuentes de baja impedancia.
Funcionamiento en clase B
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En algunas aplicaciones, como son los sistemas alimentados son necesarios un bajo consumo de corriente y un
alto rendimiento de la etapa. Este hecho condujo a otras formas de funcionamiento. El funcionamiento en
clase B de un transistor conlleva que la corriente del colector circule solamente 180° del ciclo de señal, lo que
implica que el punto Q ubique aproximadamente en el punto de corte en ambas rectas de carga, la de corriente
continua y la de señal. Las ventajas que ofrece el funcionamiento en clase B son un menor consumo de
corriente y un mayor rendimiento.
Circuito en contrafase
Cuando un transistor funciona en clase B sólo amplifica la mitad de un ciclo. Para evitar la distorsión, se
emplean dos transistores dispuestos en contrafase (conocido en inglés como push−pu11). Este hecho significa
que uno de los transistores conduce durante un semiciclo y el otro transistor durante el otro. Con los circuitos
en contrafase se pueden construir amplificadores clase B que tengan baja distorsión y gran poten-cia en la
carga.
En la figura se muestra una forma de conectar un seguidor de emisor en contrafase que funciona en clase B.
Se conecta un segui-dor de emisor npn y un seguidor de emisor pnp en un circuito en contrafase. Se puede
comenzar su análisis con el circuito equivalente de la figura. El diseñador selecciona las resistencias de
polarización de forma que el punto Q se halle en el corte. Así se polariza el diodo de emisor de cada transistor
entre 0,6 y 0,7v.
Idealmente
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ICQ = 0
Puesto que las resistencias de polarización son iguales, cada emisor está polarizado con la misma tensión.
Como resultado se tendrá que la mitad de la tensión de la fuente de alimentación aparecerá entre los
terminales colector−emisor de cada transistor. Es decir
Recta de carga para continua
Al no haber resistencia para continua en los circuitos de colector o de emisor de la figura anterior, la corriente
de saturación para continua es infinita. Este hecho significa que la recta de carga para continua es vertical. Si
esta situación le peligrosa, no se equivoca. La mayor dificultad al diseñar un amplificador de clase B es el
situar de forma estable el punto Q en el punto de corte. Cualquier descenso significativo de VBE con la
temperatura puede elevar el punto Q sobre la recta de carga para continuo hacia corrientes grandes, con el
consiguiente peligro.
Recta de carga para señal
La figura muestra la recta de carga para señal. Cuando alguno de los transistores está conduciendo, el punto de
trabajo del transistor que conduce se eleva sobre la recta de carga para señal. El punto de trabajo del otro
transistor se mantiene en corte. La variación de tensión el transistor que está conduciendo puede recorrer todo
el camino desde corte a saturación. En el siguiente semiciclo, el otro transistor actuará de la misma forma.
Este hecho significa que la máxima salida pico a pico no recortada es igual a
MPP=VCC
Análisis para señal
La figura muestra el circuito equivalente para señal del transistor del en conducción. Dicho circuito es casi
idéntico al de un seguidor emisor en clase A. La ganancia de tensión con carga es
La impedancia de entrada de la base es
Circuitos de simetría complementaria
Varios circuitos van más allá de la sola eliminación del transformador de inver-sión de polaridad de entrada
del circuito. Estos circuitos también suprimen el trans-formador de salida de manera que el circuito está por
completo sin transformador. Una versión sencilla del circuito amplificador push−pulI sin transformador se
mues-tra en la figura. Se emplean transistores complementarios, esto es, se utilizan transistores npn y pnp en
lugar de utilizar dos del mismo tipo. La única señal de entrada que se requiere se aplica a ambas entradas de la
base. Sin embargo, puesto que los transistores son de tipo opuesto, conducirán en medios ciclos opuestos de la
entrada. Por ejemplo, durante el medio ciclo positivo de la señal de entrada, el transistor pnp será polarizado
inversamente por la señal del medio ciclo positivo y no conducirá. El transistor npn será polarizado para
conducir, mediante la señal del medio ciclo positivo con un medio ciclo de salida resultante en el resistor de
(RL) como se indica en la figura. Durante el medio ciclo negativo de la señal de entrada, el transistor npn se
polariza de manera que no conduce y el ciclo de salida que se desarrolla a través de la carga se debe a la
operación del transistor pnp en ese momento. Durante un ciclo completo de la entrada, se desarrolla un ciclo
completo de la señal de salida a través de la carga. Debe ser evidente que una desventaja de ésta conexión de
circuito es la necesidad de dos fuentes de alimentación. Otra desventaja menos obvia, pero importante, con el
circuito complementario como se mostró, la distorsión de sobrecruce en la señal de salida. La distorsión de
sobrecruce se refiere al hecho de que durante el sobrecruce de la señal de positivo a negativo (o viceversa) hay
cierta no linealidad en la señal de salida, como se indica en la figura. Esto resulta del hecho de que para el
circuito sencillo que se muestra en la figura, la operación del circuito no brinda una conmutación exacta de un
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transistor en corte y el otro en saturación en la condición de voltaje cero. Ambos pueden estar en corte o
conduciendo de manera parcial, por lo que el voltaje de salida no es exactamente a la entrada y ocurre la
distorsión. Esta situación en el punto de sobrecruce también es de interés en el circuito push−puIl, aunque no
necesariamente al mismo grado. La polarización de transistores en la clase AB mejora la operación
polarizándolos de modo que cada uno permanezca activado más de la mitad del ciclo. En el circuito debe
realizarse un esfuer-zo considerable para reducir la distorsión de sobrecruce. Las conexiones de circuito más
prácticas incluyen componentes de polarización adicionales en el circuito de la base para tratar de llevar a
cabo esta operación mejorada. Nótese que la carga es excitada como la salida de un circuito emisor−seguidor
de manera que la resistencia baja de la carga es acoplada mediante la resistencia baja de la fuente de
excitación. Las versiones mejoradas del circuito complementario in-cluyen los transistores, cada uno
conectado en el arreglo Darlington, para brindar resistencia baja de excitación incluso menor que con
transistores sencillos. El circui-to se muestra una conexión de circuito práctica empleando la cone-xión
Darlington de los transistores y resistores de emisor adicionales para la estabilización de temperatura.
Clases de operación de un amplificador y distorsión
Clases de operación
Por definición la operación clase A proporciona corriente de colector durante el ciclo completo de la señal (en
un intervalo de 3600). El nivel de polarización de corriente es ICQ y, para la línea de carga que se muestra, la
señal de salida no los valores de Icmax o Icmin llevarían la operación fuera de la región lineal la operación del
dispositivo. La figura muestra la operación clase B. El punto de operación se fija en la región de corte,
variando la corriente de salida sólo cerca de 180° del ciclo, lo cual constituye la definición de la operación
clase B. Nótese el dispositivo se polariza sin corriente de colector y, en consecuencia, el trauma no disipa
potencia. Sólo cuando se aplica señal, el transistor maneja una corriente promedio que aumenta para señales
de entrada grandes. Al contrario que la polarización clase A, en la que la peor condición ocurre sin señal de
entrada y la potencia más baja es disipada por el transistor para la señal de entrada máxima, la operación del
circuito clase B tiene por objeto incrementar la disipación del transistor cuando aumenta la señal de entrada.
Como la corriente promedio en la operación clase B es menor que en la clase A, la cantidad dc potencia
disipada por el transistor es me-nor en la clase B.
Entre la operación clase A y la clase B se encuentra la operación clase AB, que se muestra en la figura 12.
16c. La corriente colector ocurre para más de l80~ del ciclo de la señal, pero para menos de 360°. La
eficiencia de operación máxima de la clase AB está entre la de la clase A y de la clase B: esto es, entre 50% y
78.5%.
La operación con la salida conduciendo por menos de 180° se denomina opera-ción clase C y se encuentra en
circuitos de amplificador resonante o sintonizado, co-mo, por ejemplo, en la radio o la televisión. La
operación en señales de tipo pulso es de clase D.
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Distorsión
Se considera que las variaciones de la señal de menos de 360° del ciclo de la mis-ma presentan distorsión.
Esto significa que la señal de salida ya no es sólo una ver-sión amplificada de la señal de entrada, sino que de
alguna forma es distorsionada o cambiada con respecto a la entrada. La baja calidad de la música que proviene
de un radio o sistema de alta fidelidad con música o voz que no suenan igual que lo grabado o transmitido
originalmente es el resultado de la distorsión. La distorsión puede provenir de muy diversos sitios en cualquier
sistema de audio.
La distorsión puede ocurrir debido a que las características del dispositivo son no lineales: distorsión de
amplitud o no lineal. Esto puede suceder con todas las cla-ses de operación. Además, los elementos de
circuito y el dispositivo de amplificación pueden responder a la señal de modo diferente en diversos rangos de
frecuencia de operación: distorsión de frecuencia.
Cuando ocurre distorsión, la señal de salida ya no representa exactamente la se-ñal de entrada. Una técnica
que considera este cambio en la señal de salida es el mé-todo de análisis de Fourier, el cual brinda un medio
para describir una señal periódica en términos de su componente de frecuencia fundamental y de componentes
de fre-cuencia en múltiplos enteros (componentes denominadas componentes harmónicas o harmónicos). Por
ejemplo, una señal con un valor original de 1000 Hz podría pro-ducir, después de la distorsión, una
componente de frecuencia a 1000 Hz, y compo-nentes harmónicas a 2 kHz (2 x 1000 Hz), a 3 kHz (3 x 1000
Hz), 4 kHz (4 X 1000 Hz), etc. La frecuencia original de 1000 Hz se llama frecuencia fundamental y esos
múltiplos enteros son los harmónicos: el dc 2 kHz es el segundo harmónico, la componente a 3 kHz es el
tercer harmónico, etc. La señal fundamental se conside-ra el primer harmónico. (No existen componentes
harmónicas a cantidades fraccio-narias de la frecuencia fundamental, empleando esta técnica.)
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Un instrumento tal como un analizador de espectro permitiría mediciones de los harmónicos presentes en la
señal brindando una representación visual de la compo-nente fundamental de la señal y varios de sus
harmónicos sobre una pantalla dR. De manera similar, un instrumento analizador de una de esas componentes
y brindando una lectura de las mismas, una a la vez.
En cualquier caso, la técnica de considerar cualquier señal distorsionada como si estuviera compuesta de una
componente fundamental y componentes harmónicas es práctica y útil. Para una señal que ocurre en la clase
AB o en la clase B ¡a distor-sión puede ser principalmente de harmónicos pares, de los cuales la componente
del segundo harmónico es la más grande. De tal modo, aunque la señal distorsionada contiene todas las
componentes harmónicas a partir del segundo harmónico, la más importante en términos de la cantidad de
distorsión para las clases de operación que consideraremos es el segundo harmónico.
En la figura se muestra una forma de onda de corriente de colector con los niveles de señal de operación,
mínimo y máximo, y las veces que ocurren, marca-dos sobre la forma de onda. La señal que se muestra indica
que está presente cierta distorsión. Una ecuación que describe de manera aproximada la forma de onda de la
señal distorsionada es
La forma de onda de la corriente contiene la corriente de punto de operación origi-nal `CQ' la cual ocurre con
señal de entrada cero, una corriente cd I0 adicional, de-bida al promedio diferente de cero de la señal
distorsionada, la componente fundamental de la señal ca distorsionada I1 y una segunda componente
harmónica I2 al doble de la frecuencia fundamental. Aunque también están presentes otros har-mónicos, sólo
se considera aquí el segundo.
Diagrama del circuito realizado
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Conclusión
Se pudieron determinar algunos de los ventajas y desventajas del amplificador clase B, como fueron que es
más eficiente, ya que su ganancia es mayor, aproximadamente de un ochenta por ciento, que tiene un índice
de consumo menor y éste es relativo al uso que se le esté dando, osea entre más potencia más consumo,
contrario a otro tipos de amplificadores (clase A, por ejemplo), entre sus desventajas se observa que se pierde
calidad cuando en el sentido que los transistores cuando intercambian el funcionamiento puede que ocurra un
desfase de la señal.
Además se expusieron su método de funcionamiento principal el cuál consiste en que en el semiciclo positivo
de la señal de entrada el transistor de la parte superior conduce y el de la parte inferior está en corte. El
transistor de arriba se comporta como seguidor de emisor normal, por lo que la tensión de salida es
aproximadamente igual a la tensión de entrada.
En el semiciclo negativo de la señal de entrada, el transistor de arriba entra en corte y el transistor inferior
conduce. Este último actúa como un seguidor de emisor normal y produce una tensión en la carga
aproximadamente igual a la tensión de entrada; en pocas palabras el transistor de arriba funciona durante el
semiciclo positivo de la tensión de entrada y el transistor de abajo funciona durante el semiciclo negativo. En
cada uno de los semiciclos, el generador aprecia una gran impedancia de entrada en las bases; en nuestro caso
el amplificador construido es de baja potencia, por lo que éste último punto no se da, ya que la impedancia de
entrada es aproximada a los 42k, lo cuál en éste tipo de amplificadores es en consideración muy pequeña, lo
que conlleva a un problema, el cuál fue que al ser una impedancia tan pequeña no pudimos encontrar un
dispositivo movil (radio portátil, walkman, entre otros) que tuviese una impedancia menor a la del
amplificador, lo que produjo una reducción importante a la hora de hacer las pruebas, ya que al realizar las
mismas con los recursos a mano, el volumen de salida fue demasiado bajo, comparado a lo esperado, pero se
resolvió este problema, pero solo a manera de prueba, utilizando un generador de funciones, el cuál muestra
claramente la capacidad del proyecto, pero con el inconveniente que al traducir la señal en forma audible da
como resultado un sonido constante.
En resumen pudimos demostrar la capacidad del amplificador con un generador de funciones, con una señal
proveniente de un dispositivo móvil (con menos éxito), además de las ventajas, desventajas, además de su
funcionamiento en sí.
Bibliografía
• Boylestad R., Nashelky L. Electrónica teoría de Circuitos, Prentice Hall int.1992.
• Malvino. Principios de Electrónica, Quinta Edición, Mac Graw Hill, 1998.
• http://www.geocities.com/eduardo_rys/circuitos_impresos3.html
• http://electro.5u.com/links/electronica.htm
• http://www.geocities.com/tdcee/Directory.htm
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