UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCIN FACULTAD DE INGENIERA

Amplificadores de Gran SealCtedra de Electrnica BsicaHernn Cabaas Gonzlez 6 Semestre 2011

ContenidoObjetivos ........................................................................................................................................ 2 Introduccin.................................................................................................................................... 2 Amplificadores de gran seal .......................................................................................................... 3 Clases de amplificadores de gran seal ............................................................................................ 3 Amplificadores de clase A ............................................................................................................... 4 Configuracin Darlington .................................................................................................................. 5 Circuito amplificador acoplado por transformador .......................................................................... 6 Amplificadores de clase B ............................................................................................................... 6 Distorsin de cruce por cero .............................................................................................................. 7 Amplificador clase B con transformadores ....................................................................................... 8 Amplificadores de clase AB ............................................................................................................. 8 Amplificadores de clase C................................................................................................................ 9 Conclusin .................................................................................................................................... 11

1

Objetivos El objetivo fundamental de este trabajo es ofrecer un resumen acerca de los amplificadores de gran potencia (Large-signal amplifiers), detallar sus caractersticas y ofrecer una clasificacin segn determinados parmetros. Se ofrece tambin una breve resea sobre los tipos ms frecuentes de amplificadores de gran seal y algunas aplicaciones usuales.

Introduccin Desde la implementacin de la fsica de los semiconductores a la ingeniera elctrica-electrnica, sta experiment un vertiginoso avance hacia la eficiencia energtica, la economa y la miniaturizacin. Este incremento en la economa permiti la consolidacin de los medios masivos de comunicacin y en consecuencia, modific para siempre a la humanidad al hacer ms fcil el acceso a la informacin. Uno de los elementos que contribuyeron en mayor medida a este avance es sin duda el amplificador, ya que hizo posible la implementacin de circuitos de telecomunicaciones confiables, compactos y econmicos. Los amplificadores de gran seal son aquellos amplificadores diseados para manejar grandes amplitudes y son utilizados mayormente en sistemas de audio, transmisores de radiofrecuencia, instrumentos musicales y otras aplicaciones similares.

2

Amplificadores de gran seal Los amplificadores de pequea seal son denominados generalmente amplificadores de tensin, ya que convierten una pequea tensin de entrada en una tensin de salida mucho ms grande. En ocasiones, se requiere que un amplificador controle un motor o alimente unos altavoces; para este tipo de aplicaciones (donde se tienen grandes corrientes) se hace necesario un amplificador de gran seal. La funcin principal de los amplificadores de gran seal (conocidos tambin como amplificadores de potencia) es la de amplificar la potencia de entrada, a diferencia de los amplificadores de pequea seal, que generalmente amplifican una seal en forma de voltajes. El amplificador de potencia funciona basndose en el principio bsico de convertir la potencia de corriente continua (tomada de la fuente de energa) en una seal de tensin de corriente alterna que luego es entregada a la carga. Aunque la amplificacin es grande, la eficiencia de la conversin es generalmente baja. El amplificador ideal debera ofrecer una eficiencia de 100%, sin embargo, esto nunca sucede ya que un poco de la potencia se pierde en forma de calor, adems de presentar otras prdidas relacionadas con la no-linealidad de sus caractersticas1. Clases de amplificadores de gran seal Los circuitos amplificadores de potencia se clasifican segn la magnitud su ngulo de flujo , en amplificadores de potencia de tipo A, B, AB y C. El ngulo de flujo es la porcin de la seal de entrada durante la cual el amplificador conduce. Este ngulo de flujo tiene una relacin cercana con la eficiencia del amplificador. Estas clases de amplificadores van desde una salida casi lineal con eficiencia baja hasta una salida no-lineal pero con alta eficiencia. La eficiencia aumenta de A a C, mientras la linealidad disminuye. Los valores tpicos de estos parmetros son dados a continuacin: Clase A: eficiencia por debajo de 50% pero una buena reproduccin de seal y linealidad. Clase B: casi el doble de eficiente que la clase A, con una eficiencia que ronda el 70%, ya que el amplificador trabaja solo conduce durante la mitad del ciclo Clase AB: tiene una eficiencia mayor que la clase A, pero menor que la clase B. La reproduccin de seal es peor que la de la clase A.1

Un amplificador ideal debe presentar las siguientes caractersticas: La ganancia debe permanecer constante para valores variables de la seal de entrada La ganancia no debe ser afectada por la frecuencia No debe agregar ruido a la seal de salida. Debe remover cualquier sonido que ya existe en la seal de entrada. La ganancia no debe ser afectada por los cambios en la temperatura. La ganancia debe mantenerse estable durante largos periodos de tiempo.

3

Clase C: es la clase de amplificador ms eficiente, sin embargo, la seal de salida presenta una gran distorsin. Estos amplificadores presentan la peor reproduccin de seal La fig. 1 muestra la porcin de seal sobre la que acta cada una de las clases de amplificadores.

Figura 1. De izquierda a derecha y de arriba a abajo: Clase A; Clase B; Clase AB; Clase C

Amplificadores de clase A Como fue mencionado anteriormente, los amplificadores de clase A son aquellos que amplifican la totalidad de la onda, sin producir distorsin. Esta linealidad expresada en trminos de no-distorsin en una caracterstica muy apreciada en determinadas aplicaciones donde la fidelidad en la reproduccin de la seal es fundamental. Sin embargo, su ineficiencia, gran tamao y enorme disipacin de calor son parmetros que desalientan su aplicacin generalizada. Desde el punto de vista tcnico, los amplificadores de clase A son los ms sencillos de construir e implementar, ya que los circuitos pueden ser tan simples como los de la fig. 2.

4

Figura 2. Tpico amplificador clase A. Transistor en configuracin emisor comn

Este circuito usa utiliza un solo transistor con una carga resistiva conectada directamente a la terminal del colector. La eficiencia de este tipo de circuito es muy baja (menor al 30%) y entrega una pequea salida de potencia para una gran absorcin de potencia de corriente continua. Las prdidas se deben fundamentalmente a la presencia permanente de la corriente de reposo no nula, debido a que el transistor no puede controlar completamente la corriente que pasa directamente de la resistencia de colector a la salida. Configuracin Darlington Una forma simple de aumentar la capacidad de manejo de corriente del circuito y al mismo tiempo obtener una mayor ganancia de potencia es la de reemplazar un simple transistor por dos transistores en un transistor Darlington, que se muestra en la fig.3. Este tipo de dispositivos consiste bsicamente en dos transistores en un simple paquete, un transistor pequeo que acta de piloto y otro transistor mayor que acta de amplificador propiamente dicho. La gran venFigura 3. Configuracin Darlington taja de estos dispositivos es

5

que la impedancia de entrada es suficientemente grande mientras que la impedancia de salida es relativamente baja, por tanto, se reduce la prdida de potencia y la disipacin de calor. La ganancia total de corriente, , de la configuracin Darlington es el producto de las dos ganancias individuales, esto permite que esta configuracin llegue a tener valores muy elevados de amplificacin de corriente, comparando con los circuitos de un solo transistor. Circuito amplificador acoplado por transformador Otra opcin para mejorar el rendimiento consiste en conectar un transformador directamente a la terminal del colector como se muestra en la fig. 4. Este acoplamiento mejora la eficiencia del amplificador al relacionar directamente la impedancia de la carga con la de la salida del amplificador usando la constante de transformacin N.Figura 4. Amp. acoplado por transformador

Amplificadores de clase B Como se mencion con anterioridad los amplificadores de clase B son aquellos que conducen durante la mitad del ciclo de corriente alterna. Por lo tanto, para obtener una seal completa es necesario usar dos transistores (o grupos de transistores). Uno de estos es usado para reproducir la mitad superior de la forma de onda y el segundo es usado para reproducir la mitad inferior. En un amplificador de esta clase, habitualmente la corriente de reposo es igual a cero o muy pequea. Con esto se deduce que la disipacin de poFigura 5. Circuito en Simetra Complementaria tencia en reposo es despreciable, a diferencia del amplificador de clase A, esto hace que el rendimiento de la clase B sea sustancialmente mayor.

6

La solucin al problema de reproduccin de solo la mitad de la seal se soluciona con los circuitos llamados push-pull o de simetra complementaria, como se muestra en la fig. 5. El hecho de que los transistores trabajen sin corriente de reposo, hace que su regin de operacin se encuentre cerca de la regin de corte (cut-off), por esto, los amplificadores de clase B presentan cierta deformacin en la forma de onda, denominada distorsin de cruce por cero, que se explica en la siguiente seccin Distorsin de cruce por cero Esta distorsin, como dice el nombre, aparece en el momento en que la seal pasa del semiciclo positivo al negativo y viceversa. Un esquema de esta distorsin se muestra en la fig. 6. El origen de esta deformacin es el hecho de que existe un retraso entre la desactivacin del primer transistor y la activacin del segundo. Este retraso sucede porque el Figura 6. Distorsin de cruce por cero transistor requiere de una pequea tensin de polarizacin para salir de la zona de corte. La mnima tensin necesaria en el caso de los transistores bipolares de silicio es de aproximadamente 0,7 V. La tensin en los alrededores del punto de la distorsin son efectivamente menores que esta tensin mnima de polarizacin para ambos transistores, y por lo tanto ninguno de ellos se comporta de forma lineal en esta regin. Las caractersticas de transferencia se muestran en la fig. 7.

Figura 7. Origen de la distorsin

7

Amplificador clase B con transformadores Al igual que con los amplificadores de tipo A, es posible incorporar transformadores con el objeto de mejorar las impedancias de entrada y de salida del circuito amplificador. Tal configuracin se muestra en la fig. 8.

Figura 8. Circuito amplificador clase B push-pull con transformadores

Esta configuracin requiere que los transformadores estn divididos en dos partes exactamente iguales, para evitar la circulacin de una corriente entre los colectores que pueda provocar una distorsin.

Amplificadores de clase AB En estos amplificadores, cada dispositivo opera de la misma forma que en la clase B sobre la mitad de la forma de onda, pero adems, conduce una pequea cantidad de la otra mitad de la onda. Como resultado de esto, la regin donde ambos dispositivos estn apagados al mismo tiempo es significativamente reducida. El resultado es que cuando las formas de onda de ambos dispositivos son combinadas, la distorsin de cruce por cero es minimizada o totalmente eliminada La eleccin precisa de la corriente de reposo, hace una gran diferencia al nivel de distorsin, pero como la temperatura del dispositivo juega un papel muy importante en la estabilidad, la tensin aplicada para establecer la corriente de reposo debe ser ajustada dinmicamente con la temperatura de los transistores. Otra opcin para aumentar la estabilidad es incluir resistencias en serie con los emisores. Un circuito de clase AB surge reemplazando las resistencias conectadas entre las terminales de base de la clase B, por diodos de polarizacin, como se muestra en la fig. 9. La tensin de polarizacin aplicada a los transistores en estas condiciones sera igual a la tensin de polarizacin directa de los diodos. Estos dos diodos son llamados generalmente diodos de polarizacin o diodos compensadores y son elegidos para que coincidan con las caractersticas de sus respectivos transistores. 8

Figura 9. Amp. clase AB con diodos compensadores

Como podemos notar por estas caractersticas, el amplificador de clase AB es un compromiso entre las configuraciones de las clases A y B. La clase AB sacrifica un poco de la eficiencia de la clase B en favor de la linealidad, pero aun as es ms eficiente que los de la clase A La magnitud de la tensin de polarizacin entre las bases puede ser aumentada agregando ms diodos en serie.

Amplificadores de clase C Los amplificadores de clase C son los ms utilizados si se requiere una seal muy amplificada. Con un corto pulso en la entrada, el amplificador entrega una gran potencia a la salida. Ya que la seal tiene polarizacin negativa, el punto de trabajo del amplificador est ms all del punto de corte, como se muestra en la fig. 10. La seal resultante de salida es fuertemente no lineal y la parte perdida debe ser recuperada con un circuito resonante que convierte los pulsos de corriente del colector en una seal sinusoidal continua. Los pulsos de corriente del colector contienen adems muchas armnicas que son filtradas por el circuito sintonizado de salida. La utilizacin ms frecuente para esta clase de amplificadores es en transmisoFigura 10. Caracteristica amp. clase C res de radiofrecuencia, ya que la salida es sintonizada per se. En la fig. 11 se muestra el esquema de un circuito amplificador clase C. 9

Figura 11. Circuito amp. clase C

10

Conclusin Del trabajo anterior, se concluye que dos factores primarios determinan la clase de operacin de un amplificador: la magnitud de la tensin de polarizacin y de la caracterstica de la seal de entrada. Con una dada seal de entrada y nivel de polarizacin, puede cambiarse la operacin de clase A a clase B con solo remover la polarizacin directa. Adems, un amplificador de clase A puede cambiarse a clase AB con solo reducir la tensin de polarizacin. Otros factores que definen la eleccin de un amplificador para una aplicacin en particular son la fidelidad y la eficiencia. La fidelidad es la calidad de reproduccin de la seal, o dicho de otro modo, la linealidad de la salida del amplificador. Los amplificadores de clase A y AB son las ms fieles mientras que las clases B y C presentan gran distorsin La eficiencia indica la relacin entre las potencias de salida y de entrada, por lo tanto, indican la cantidad de energa desperdiciada en el dominio del amplificador. Se mostr adems que esta eficiencia es inversamente proporcional a la fidelidad, por lo que soluciones de compromiso son necesarias en casos generales.

11