DEPARTAMENTO DE ELECTRICA Y ELECTRÓNICA

ASIGNATURA: ELECTRÓNICA II

Nombre: Fabricio Vilatuña

CONSULTA

Tema: Amplificadores de Baja Frecuencia

Introducción.

Una de las características principales de los amplificadores es la conversión de señales eléctricas en otras de mayor amplitud y capaces de exitar un(os) altavoces de tal forma que si aquellas señales provenían de la transformación de sonidos, el altavoz ha de reproducir los mismos sonidos, aunque pueda variar u potencia sonora

De forma genérico un dispositivo electrónico capaz de realizar esta función recibe el nombre de Amplificador de baja frecuencia.

Tipo de Amplificadores de Baja frecuencia.

Existen varios tipos de amplificadores que trabajan en estas frecuencias como los de clase A, B AB, C, D.

Amplificador Clase A:

Fue considerado al inicio de los transistores (BJT), donde los amplificadores reproducen totalmente la señal de entrada. La corriente de colector es distinta de cero todo el tiempo. Esta clase es ineficiente, porque sin señal de entrada, existe uno que es diferente de cero y el transistor disipa potencia en condiciones estática o de reposo.

En general los circuitos amplificadores de potencia contienen transistores capaces de manejar alta potencia. Estos operan normalmente a tensiones mayores que los transistores de baja potencia y, por tanto requieren a menudo una fuente de tensión separada.

Por ejemplo las tensiones de los transistores de potencia pueden exceder los 450 V. las capacidades de corriente son elevadas con frecuencia superiores a 10ª de corriente continua

(DC). Como estos transistores necesitan disipar potencias elevadas, se diseñan en forma diferente de los transistores de baja potencia y pueden incluir circuitos de protección para limitar la corriente. También se considera en forma adicional la disipación de calor que se produce durante la operación.

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. 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.

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.

Amplificadores de clase AB

Los amplificadores de clase AB reciben una pequeña polarización constante en su entrada, independiente de la existencia de señal. Es la clase más común en audio, al tener alto rendimiento y calidad. Estos amplificadores reciben su nombre porque con señales grandes se comportan como un clase B, pero con señales pequeñas no presentan la distorsión 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 pequeña corriente de polarización fluyendo entre los terminales de base y la fuente de alimentación, que sin embargo no es tan elevada como en los de clase A. Esta corriente libre se limita al minimo valor necesario para corregir la falta de linealidad asociada con la distorsión de cruce, con apenas el nivel justo para situar a los transistores al borde de la conducción. Este recurso obliga a ubicar el punto Q en el límite entre la zona de corte y de conducción.

Su nivel de eficiencia es inferior al 50%, menor cuanto mayor nivel tenga la corriente de polarización. Por tanto, superior a los clase A e inferior a los clase D.

Este diseño es un compromiso entre la eficacia de los amplificadores clase B (en los que no hay corriente de polarización) y la eliminación de la distorsión de cruce de los diseños en clase A, por lo que los amplificadores respecto a estos últimos pueden ser mucho más ligeros, eficientes y sin generar tanto calor.

La pequeña corriente de polarización constante que queda remanente en la señal de salida es filtrada antes de alimentar a los altavoces. Este tipo de configuración se ve en la mayoría de amplificadores de audio, tanto de las gamas habituales como en la mayoría de los High-End.

Son, por así decirlo, una mezcla de los dos anteriores, un amplificador de potencia funciona en clase AB cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule

Amplificadores de clase C

Los amplificadores de clase C son conceptualmente similares a los de clase B en que la etapa de salida ubica su punto de trabajo en un extremo de su recta de carga con corriente de polarización cero. Sin embargo, su estado de reposo (sin señal) se situa en la zona de saturación con alta corriente, o sea el otro extremo de la recta de carga.

El amplificador clase "C" es exclusivo de "RF". Utiliza como "carga" un circuito tanque. La característica principal de este amplificador es que el elemento activo conduce menos de 180º, de una señal senoidal aplicada a su entrada. Es decir, que amplifica solo una porción de la señal. Su otra característica, no menos importante es la de su alto rendimiento en potencia

Un amplificador de potencia funciona en clase C cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante menos de un semiperíodo de la señal de entrada.

La corriente de salida solo circula durante menos de medio ciclo de la señal de entrada. Y luego se complementa la salida con un circuito compuesto de condensadores y bobinas (circuito tanque).

No se utiliza en sonido, por su gran nivel de distorsión y por que su operación no esta destinada para amplificadores de gran señal o gran potencia.

En esta clase de amplificadores el elemento activo conduce un tiempo t1– t2 en cada periodo T =

2π/ωo, de forma que el semiángulo de conducción, definido como 2θο = ωo(t1– t2) sea inferior

a π/2. En el clase B θο = π/2, mientras que θο = π en el clase A.

Su esquema es similar al del clase A que se muestra en la figura y que repetimos aquí para comodidad del lector, pero en este caso es imprescindible poner en paralelo con RL un circuito

LC sintonizado.

La tensión VBB es ahora negativa, de forma que el BJT sólo entra en zona activa alrededor del

máximo de vi, cuando vi + VBB > 0.7 V.

Si asumimos que en toda la zona activa la corriente de colector es proporcional a la tensión de control, para una entrada sinusoidal toma la forma representada en la figura. Esta corriente puede escribirse como

iC = IPcos(ωot) – ID, mientras sea IPcos(ωot) ≥ IDiC = 0, en el resto

Y puesto que en ωot = ±θο tenemos iC = 0, resulta que ID = IPcos(θο ). La función iC(t) es par y

por eso puede descomponerse en serie de Fourier como

iC = Io + I1cos(ωot) + I2cos(2ωot) + ····

donde Io es su valor medio, I1 la componente fundamental y el resto, de I2 en adelante,

armónicos.

Las tensiones vCE y vo tienen una forma sinusoidal porque el filtro LC cortocircuita todos los

armónicos de iC(t) y sólo deja la componente fundamental.

La potencia entregada a la carga es

El consumo de potencia, despreciando la potencia empleada para polarizar el BJT, es

donde ICQ = Io.

El rendimiento máximo se obtiene cuando vo toma la máxima amplitud posible, VCC si

aproximamos VCE,sat, = 0, y para eso se requiere que I1RL = VCC. En ese caso el rendimiento

sólo depende de θο

En la figura siguiente se muestra el rendimiento máximo en función del semiángulo de conducción. Si θο = 180º ηmax = 50 % (Clase A), si θο = 90º ηmax = 78 % (Clase B) y para la

clase C siempre es superior. Si θο = 0º ηmax = 100 %, claro que en este caso la corriente máxima

que debería soportar el transistor es infinita. Así que un buen compromiso consiste en emplear θο = 60º para obtener ηmax = 90 %.

Notar que, a diferencia del clase A o B, el clase C no es un amplificador lineal: la salida es nula hasta que la amplitud de la tensión de entrada supera VBB + 0.7. Este amplificador sólo puede

usarse para FM o PM porque emplea señales de amplitud constante o para señales digitales y de banda estrecha.

Amplificador Clase D

Un amplificador de conmutación o amplificador Clase D es un amplificador electrónico el cual, en contraste con la resistencia activa utilizada en los modos lineales de los amplificadores clase AB, usa el modo conmutado de los transistores para regular la entrega de potencia. Por lo tanto, el amplificador se caracteriza por una gran eficiencia (pequeñas pérdidas de energía), y esto trae consigo menos disipadores de calor, reduciendo el peso del amplificador. Además, si se requiere una conversión de voltaje, la alta frecuencia de conmutación permite que los transformadores de audio estorbosos sean reemplazados por pequeños inductores. Los filtros LC pasa-bajas suavizan los pulsos y restauran la forma de la señal en la carga.

Los amplificadores Clase D son utilizados con frecuencia en amplificadores de sistemas de refuerzo de sonido, donde se requiere un alto voltaje de salida. Por ejemplo, el Crest Audio CD3000 es un amplificador Clase D que tiene una potencia nominal de 1500 watts por canal, y sin embargo solamente pesa 21 kg.1 Un pequeño número de amplificadores de bajos también

usan tecnología Clase D, como el Yamaha BBT500H, que tiene una potencia nominal de 500 watts y pesa menos de 5 kg.2

En ocasiones se confunde el término "Clase D" como si fuera un amplificador digital. El mapeo de la señal en la etapa de potencia puede ser controlado por una señal analógica o una señal digital. Sólo en el último caso se estaría usando una amplificación completamente digital.

Este es el tipo básico de amplificador en que los transistores trabajan en conmutación, pasan del estado de corte al de conducción y viceversa de forma instantánea. Su esquema se muestra en la figura a. La señal de entrada, vin, debe ser cuadrada y de suficiente amplitud para llevar los

transistores alternativamente de corte a saturación (de corte a zona lineal si son MOSFETs). Trabajando en este modo el transistor se puede asimilar a un interruptor ideal (abierto en corte, cerrado en saturación). Al reemplazar los transistores por interruptores resulta el circuito equivalente que se representa en la figura b.

En este circuito la señal vx es cuadrada de amplitud ±VCC. El circuito LC está sintonizado a la

frecuencia fundamental de vin (la frecuencia de trabajo) y tiene un Q elevado: a RL solo le llega

la componente fundamental de vx

además, a esa frecuencia Zin = RL por lo que

Esta corriente circula durante medio periodo por QN y en el otro medio por QP. Las tensiones y

corrientes en el circuito se muestran en la figura siguiente.

La potencia entregada a la carga es

Y la potencia total disipada es la misma, porque en todo el circuito tan sólo la carga disipa potencia, así que el rendimiento es η = 100%.

Si los transistores no son ideales, en cuanto a que en conducción no tienen resistencia nula (Ron ≠ 0),el circuito equivalente es el que se muestra en la figura c.

La tensión de salida se reduce a

y la potencia de salida a

El rendimiento también se reduce

Este tipo de amplificadores no son lineales (muchas veces ni siquiera ganan en tensión, sólo en corriente), sólo se pueden aplicar a señales de amplitud constante, como por ejemplo las moduladas en PM o en FM (pero de banda muy estrecha), o a señales digitales.

Bibliografía:

http://www.uib.es/depart/dfs/GTE/education/telematica/sis_ele_comunicacio/Apuntes/Capitulo%207.pdf

http://www.duiops.net/hifi/enciclopedia/clase-ab.htm

http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/electronica/ElectronicaAplicadaIII/Aplicada/Cap10Transmisores.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_electr%C3%B3nico