Amplificación.
El concepto de amplificación en electrónica es un concepto que expresa aumentar la tensión, intensidad o ambas magnitudes respecto a un punto de entrada al circuito. En es
Para dominar la amplificación deberás de tener claro conceptos como polarización del transistor, punto Q, configuraciones del transistor, estados de trabajo, recta de carga, etc., etc. Estos conceptos los puedes repasar en el curso de electrónica para newbies en el siguiente enlace.
En esta clase haremos un repaso de lo necesario que necesitas conocer para poder entender y diseñar amplificadores de potencia.
Conceptos básicos.
Como ya vimos en el curso de electrónica para novatos, existen varios tipos de amplificadores según su funcionamiento, su configuración o las señales que van a manejar entre otros conceptos. El funcionamiento simple es que por un lado del circuito entrará una señal alterna de baja potencia y a la salida del circuito se obtendrá una señal de potencia más elevada.
Además el circuito más simple que puedes encontrar en el circuito amplificador es el emisor común, muy utilizado en amplificación en clase A para preamplificación.
Lo que hacemos en amplificación es alterar el punto Q para que varie la señal entre los valores de la recta de carga del circuito y poder manipular la señal de entrada a la salida.
Por supuesto, para manipular una señal alterna dentro de un circuito en el que circulan corrientes continuas, deberemos de utilizar filtros para que la señal alterna no se pierda como parte de la corriente continua por parte de la fuente de alimentación. Esos filtros se utilizarán para bloquear la corriente continua y proporcionarán un flujo de paso para la seal alterna.
Y para finalizar solo hay que realizar los calculos adecuados para que el amplificador sea lo más preciso posible adecuando la polarización en cada fase de la señal. Eso lo conseguiremos con la polarización del transistor sin y con señal.
Punto de trabajo.
Ha quedado claro que el punto de trabajo en un amplificador viene marcado por el Quiescent Point que varía según la señal de entrada. Por eso es fundamental diseñar el amplificador en base a la señal de trabajo, su nivel eléctrico y su intensidad, siguiendo unos valores de configuración básicos y unos márgenes de trabajo un tanto flexible. Por eso mismo, el amplificador se debe de configurar en dos fases principales: la fase estática o sin señal y la fase de señal.
Configuración.En esta fase se tendrán en cuenta la clase de trabajo del amplificador y para el tipo de señal o tipo que se desea desarrollar. No es lo mismo un amplificador de tensión que un seguidor de tensión; o un amplificador de corriente que de tensión; o un amplificador de corriente continua que de corriente alterna. Esta etápa del amplificador desarrollará la configuración del amplificador para adecuarlo a su trabajo con señal, por lo que la configuración del amplificación estará pensada en realizar actuaciones sobre el punto de trabajo estático.
Esto significa calcular las entradas, filtros, salidas, corrientes máximas y mínimas para configurar la oscilación de la señal sobre la salida y que no lleve al transistor ni al corte ni a la saturación (distorsión de la señal).
Partiendo de un amplificador en clase A, el diodo emisor se polariza directamente gracias a la resistencia R2, lo que hace que la tensión que cae en R2 se aplique al diodo emisor. Como la tensión de alimentación se aplica en serie con el divisor de tensión de polarización, la fórmula rápida para el calculo de la tensión del diodo emisor es:
VBB = (R2 ÷ R1 + R2) x Vcc
Está claro que como definimos la tensión de R2, la intensidad de emisor (colector), será de un valor fijo. Y observando tenemos claro que:
● La caída de la tensión en el emisor es la diferencia de la tensión del diodo emisor y la tensión R2.
● La intensidad de emisor depende directamente de la resistencia de emisor y la tensión de emisor.
● La tensión de colector depende directamente de la tensión de la fuente menos la caída de tensión de RC
.● La tensión colector - emisor es la resta de la tensión anterior menos la tensión de emisor.
Así es fácil pensar en el circuito siguiente los valores de polarización del amplificador:
● Tensión VEE = 1,803V
● Intensidad IE = 1,803mA
● Tensión en colector: 3,05V
● Tensión colector - emisor: 1,705V.
Lo que no ha devuelto los valores máximos y mínimos que tendrán la recta de carga. Una intensidad máxima de 1,8mA y una tensión máxima de 1,705V
Para valores superiores o inferiores, el amplificador no funcionará correctamente ya que la señal distorsionará porque la señal no se podrá reproducir dentro del valor del rango de trabajo de la recta de carga.
Requisitos.Para que el amplificador tenga un funcionamiento correcto en su configuración estática se debe de tener en cuenta una serie de acciones:
● Resistencia de fuente.
● Resistencia de carga.
● Divisor de tensión constante.
● Ganáncia estática de corriente.
● Estabilización del punto de trabajo Q.
La resistencia de fuente se ha de tener en cuenta a la hora de conectar un generador de señal, una fuente de tensión alterna o una fuente de sonido a la base del amplificador, ya que dicho generador alterará la resistencia de fuente del circuito, y por tanto la resistencia de emisor. Recuerda de la clase de Análisis de circuitos II, que la fuente o caída de tensión se considerable estable cuando la resistencia de fuente era 100 veces menos que la resistencia de carga o lo que es lo mismo, la resistencia Thevenin del divisor de tensión deberá ser 100 veces menor que la resistencia de entrada al transistor. En este caso como no tenemos la resistencia de fuente de señal conectada, nuestra resistencia de entrada es la resistencia Thevenin del divisor de tensión. Para obtener una resistencia thevenin del conjunto y compararla con la entrada al tansistor se aplica la siguiente fórmula:
R1|| R2 < 0,01βdcRE
En nuestro circuito anterior, la resistencia Thevenin del divisor de tensión es de 1803Ω. Para que aseguremos el acoplamiento de la señal a la base del circuito, deberemos asegurarnos que el valor βdcRE sea por lo menos 100 veces mayor, es decir mínimo de 180KΩ
El punto de trabajo con esta regla se mantendrá muy estable incluso cuando se baje el porcentaje hasta un 10% del valor de la resistencia equivalente de entrada.
Y como hemos modificado la resistencia de emisor (al incluir la resistencia Thevenin en el cálculo), la intensidad de emisor también es modificada según la fórmula siguiente:
IE = (Vbb - Vbe) ÷ RE + ((R1||R2)⁄βdc)
Que siguiendo el circuito anterior, con una ganancia de corriente média del transistor de 350 nos daría un valor de corriente de 1,09mA lo que sube la tensión de VCE a 4,98V.
La ganancia de corriente HFE no es un factor que sea constante ni en configuración ni en diseño del amplificador. Puede variar en forma y valor según las características del entorno del amplificador como ruido, calor, tensión y saturación. Supón que la ganancia de corriente en el circuito anterior baja de 350 a 100 (que es el mínimo en transistores de amplificación BC547). Esto nos dejaría una intensidad de colector de 1,08mA y una tensión colector - emisor de 5,012V.
Sin embargo, si la HFE subiese a su valor máximo de 800, dejaría unos valores de corriente de colector de 1,0975mA y una tensión colector - emisor de 4,94V
Puedes ver que las variaciones de tensión de colector respecto a la ganancia de corriente no varía mucho para valores mínimos y máximos. Por este motivo se considerará que la ganancia de corriente no variará el funcionamiento del amplificador ya que no producirá una corriente de colector muy significativa por su cambio. Para el cálculo de corriente se tendrá en cuenta una media aproximada del valor de la ganancia de un transistor, por defecto.
Punto de trabajo dinámico.
Ahora que tenemos los valores de polarización del amplificador debemos de tener en cuenta la reactancia que ofrecen los condensadores en las diferentes secciones del amplificador. Tendremos dos condensadores de acoplo y otro de desacoplo. Los condensadores servirán para inyectar la señal alterna a la base del transistor y mejorar la ganancia, ya que sin los condensadores la ganancia sería pequeña.
El principio de funcionamiento de los transistores con señal es el siguiente:
La tensión de la fuente alterna se aplicará a la entrada del transistor a través del diodo emisor. Esta señal modificará la tensión de alimentación de entrada de acuerdo a los valores de tensión del transistor.
Si la entrada es muy grande, producirá una gran distorsión en el diodo emisor, ya que los cambios reflejados en la corriente de emisor no serán proporcionales a la entrada de señal debido a la curvatura de la tensión base - emisor producto de la barrera de potencial entre esta juntura.
Por lo tanto es recomendable que la tensión de entrada alterna sea pequeña para que la curvatura del diodo emisor no distorsione la señal. Como norma se ha establecido que la corriente de emisor es la corriente conjunta de las componentes, es decir la suma aritmética de la componente continua y la componente alterna.
IE = IE + ie
Y para minimizar la distorsión por cruce tenemos que hacer que la corriente en alterna de la señal (ie), sea menor del 10% de la corriente de emisor. Por ejemplo, si la corriente de emisor es de 1,09mA, la corriente máxima de alterna a la entrada del diodo emisor debería de ser de 0,1mA como máximo.
Los amplificadores que cumplan esta regla serán amplificadores de baja señal ya que se acoplarán a fuentes alterna de muy baja señal como antenas o cabezales ferromagnéticos.
Ganancia para señal.En circuitos de polarización de base se hablo de ganancia estática de corriente cuando
βdc = IC ÷ IE. Pero en circuitos con polarización de tensión se calcula la ganancia respecto a la intensidad de emisor. Y como la intensidad de emisor depende de la intensidad de la corriente de base (del divisor), se puede establecer la ganancia de corriente para señal teniendo en cuenta la variación de la corriente de emisor entre la corriente de base.
β = ic ÷ ib
Si juntamos ambas corrientes (ib/ic), obtendremos la gráfica siguiente:
La señal alterna de la base solo usa una pequeña parte de la curva a ambos lados del punto Q. A causa de esto, el valor de la ganancia de la corriente para señal es diferente de la corriente de continua, que usa toda la curva. Siguiendo ésta gráfica, si cambiamos el punto de polarización del transistor, podriamos cambiar la ganancia de corriente de señal, ya que podríamos cambiar la pendiente de la curva.
Resistencia del diodo emisor.
La señal se va a inyectar entre el diodo emisor y masa, por lo que la señal se verá afectada por la resistencia interna de la juntura en una tercera aproximación (repasa las aproximaciones en el Análisis de circuitos). Por lo que la tensión de emisor se verá afectada también al paso de la corriente alterna. Y teniendo en cuenta que la curvatura de la gráfica IE - VBE no es una recta sino una curva debido precisamente a la resistencia de la juntura, podemos decir que:
Si IE = IE + ie, entonces VBE = VBE + vbe.
En la siguiente gráfica se muestra la intensidad de base respecto a la tensión base - emisor. Al inyectar una señal de alterna en la base, la variación de la tension base - emisor se reflejará en la variación de la intensidad de emisor dependiendo de la configuración del punto Q. cuanto más bajo esté polarizado el punto Q en la gráfica IE/VBE, menor será la corriente de emisor. O de otro modo, cuanto mayor es la resistencia interna del diodo emisor, menor será la corriente de emisor.
Esta curva anterior expresa la resistencia que ofrece el diodo emisor a la señal, ya que según la polarización del diodo emisor, se obtendrá una resistencia para señal de la forma:
r'e = vbe ÷ ie
La resistencia para señal es igual a la tensión alterna base - emisor dividida por la corriente alterna de emisor.
NOTA: La resistencia r'e es la forma de indicar que es una resistencia interna del transistor y no una resistencia física.
La resistencia de emisor para señal drecrece cuando la intensidad de emisor alterna aumenta, porque vbe es practicamente de valor constante. Por eso mismo se puede establecer que:
r'e = 25mV ÷ IE
Lo que implica que la resistencia de emisor es igual a 25mV entre la corriente continua de emisor. Esta resistencia de emisor para alterna se tendra en cuenta en amplificadores de pequeña señal y temperatura ambiente. Comercialmente hablando la mayoría de los amplificadores de pequeña señal tendrán una resistencia emisor entre 25mV⁄IE y 50mV⁄IE.
La resistencia de emisor como verás más adelante es importante porque determina la ganancia de tensión. Cuanto más pequeña es, mayor es la ganancia de tensión. Ya aporenderás a manejar este valor en posteriores clases.
Modelos del transistor.
Para analizar el funcionamiento para señal de un transistor ampificador es necesario actuar mediante un circuito equivalente para el transistor. Existen dos modelos principales.
El modelo en T.El modelo Ebers-Moll, el diodo emisor actúa como una resistencia en alterna r'e y el diodo colector como una fuente de corriente. Este modelo lleva el nombre de T porque parece una "T" acostada.
Cuando se analiza el transistor amplicador se puede reemplazar cada transistor por el modelo T. Después se puede calcular la r'e y otros valores para señal, como veremos en otras clases posteriores.
Modelo π.El modelo en π es más fácil que usar que el modelo en T porque la impedancia de entrada del diodo emisor no es tan obvia como en el anterior modelo. Más tarde comprobarás porque son más sencillos usar estos modelos que los primeros.
Con los modelos en π y en T, podremos sustituir los transistores para calcular los valores del amplificador con baja señal. Y el modelo que más usaremos es el modelos en π, aunque en algunos circuitos amplificadores es muy común usar el modelo en T como también verás más adelante.