Amplificadores de baja potencia

Electrónica. Amplificador Clase B. Análisis para señal. Circuito en contrafase. Distorsión. Recta de carga

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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 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

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 poten­cia 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 segui­dor 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.

Amplificadores de baja potencia

Idealmente

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 inver­sión de polaridad de entrada del circuito. Estos circuitos también suprimen el trans­formador de salida de manera que el circuito está por completo sin transformador. Una versión sencilla del circuito amplificador push-pulI sin transformador se mues­tra 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 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 esfuer­zo 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 in­cluyen los transistores, cada uno conectado en el arreglo Darlington, para brindar resistencia baja de excitación incluso menor que con transistores sencillos. El circui­to se muestra una conexión de circuito práctica empleando la cone­xión 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 me­nor 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 opera­ción clase C y se encuentra en circuitos de amplificador resonante o sintonizado, co­mo, por ejemplo, en la radio o la televisión. La operación en señales de tipo pulso es de clase D.

Amplificadores de baja potencia

Distorsión

Se considera que las variaciones de la señal de menos de 360° del ciclo de la mis­ma presentan distorsión. Esto significa que la señal de salida ya no es sólo una ver­sión 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 cla­ses 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 se­ñal de entrada. Una técnica que considera este cambio en la señal de salida es el mé­todo 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 fre­cuencia en múltiplos enteros (componentes denominadas componentes harmónicas o harmónicos). Por ejemplo, una señal con un valor original de 1000 Hz podría pro­ducir, después de la distorsión, una componente de frecuencia a 1000 Hz, y compo­nentes 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 conside­ra el primer harmónico. (No existen componentes harmónicas a cantidades fraccio­narias de la frecuencia fundamental, empleando esta técnica.)

Un instrumento tal como un analizador de espectro permitiría mediciones de los harmónicos presentes en la señal brindando una representación visual de la compo­nente 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 distor­sión 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, marca­dos 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 origi­nal `CQ' la cual ocurre con señal de entrada cero, una corriente cd I0 adicional, de­bida 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 har­mónicos, sólo se considera aquí el segundo.

Diagrama del circuito realizado

Amplificadores de baja potencia


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

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