ELECTRÓNICA AVANZADA.

Clasificación de los amplificadores.

Existen varias maneras de clasificar a los amplificadores. Por ejemplo, según su funcionamiento, su acoplamiento entre etapas o el funcionamiento según la frecuencia de trabajo.

Según su funcionamiento.

Así que los amplificadores pueden trabajar en CLASE A, cuando trabajan durante los 360º que dura la señal de entrada, o lo que es lo mismo, el colector del amplificador acusa presencia de corriente durante todo el ciclo de la señal. En clase A un buen diseño posiciona el punto Q, a la mitad de la recta de carga.

El funcionamiento en CLASE B, solo permite el paso de corriente por el colector durante 180º de la señal (medio ciclo). El diseño de éste amplificador implica que el punto Q se situe al corte en la recta de carga y que así solamente un pulso positivo o negativo (según configuración), sea el que conduzca sobre el colector. Con este amplificador se reduce el calor efectivo ya que solo funciona la mitad de ciclo de trabajo.

Por último tenemos el amplificador en CLASE C en el cual la corriente circula menos de 180º, es decir menos de un semiciclo de la señal a amplificar.

Tipo de acoplamiento.

Rango de frecuencias.

Dos rectas de carga.

Hasta ahora hemos configurado el amplificador como amplificador de continua, es decir hemos polarizado el transistor y las etapas con una tensión de polarización continua. Pero en un amplificador existe una señal alterna que modifica dicha polarización ya que la señal se inyecta en la base del transistor y esto hace crecer y disminuir los valores de su polarización.

Por lo tanto es conveniente hablar de dos rectas de cargas; una para la polarización de continua del amplificador, y otra para la señal.

En el anterior circuito, para mover el punto Q, simplemente tenemos que variar la resistencia R₂ (resistencia de 2K2Ω). Para valores grandes de R₂, el transistor entra a la saturación según la fórmula siguiente:

Para valores muy pequeños de R2, el transistor entra al corte y deja de conducir. En este caso su tensión será VCE(corte) = VCC.

En la imagen anterior que el emisor este a tierra no afecta al funcionamiento del amplificador. Además la resistencia de colector para corriente alterna es menor que la resistencia de colector para corriente continua. Por lo tanto cuando llega una señal alterna el punto de operación instantáneo se mueve a lo largo de la recta de carga para la señal. Si te fijas en el siguiente esquema, la recta de carga para señal tiene una pendiente mayor que la de la polarización en continua. Eso se debe a que la máxima tensión de la señal tiene que ser menor que la tensión de alimentación.

Por lo que es una regla muy importante entender que MPP(Máximo pico a pico de la señal) < VCC.

En amplificación de potencia, otro detalle importante es que la señal producirá un recorte a su salida si ocupára toda la recta de carga ya que una señal que incrementara la polarización continua produciría un recorte por corte ya que la señal adquiriría niveles de VCC. Mientras que si la señal disminuye, llevará al transistor a la saturación produciendo un recorte por saturación.

Por eso en el diseño del amplificador de potencia, el punto Q estará en la mitad de la recta de carga.

Máxima salida.

Cuando el punto Q está por debajo del centro de la recta de carga para señal, el pico máximo viene definido por ICQrc. Cuando está por encima de la mitad, el pico máximo de salida viene dado por VCEQ.

Para cualquier otro punto Q, el pico máximo de salida variará entre los dos valores, mientras que si se mantiene en el centro de la recta, el valor de pico máximo vendrá definido por I_CQr_c = V_CEQ. Lo que un buen diseño intentará satisfacer ésta condición.

EJERCICIO RESUELTO.

Calcula el valor de I_CQ, V_CEQ y r_c. ¿Qué valor máximo pico es la salida de señal?

El ejercicio es fácil. Primero calculamos la intensidad máxima de la señal (I_CQ), que recuerda que es la diferencia de las tensiones VBB menos la VBE entre la resistencia de emisor.

ICQ = (1,8V + 1,1V) ÷ 1KΩ = 0,0011A

Teniendo el valor máximo de corriente que puede alcanzar la señal, calculamos la tensión en el colector y la tensión en el colector y emisor.

VC = VCC - VRE = 10V - 3,96V = 6,04V
V_CEQ = V_C - V_E = 6,04V - 1,1V = 4,94V

La r_c es muy fácil de calcular: rc = 3K6Ω || 10KΩ = 2,65KΩ

Como la tensión VCC es igual a 10V, el límite superior de la salida del amplificador deberá ser menor de dicho valor para no producir distorsión por corte.

ICQrc = 0,0011A x 2,65KΩ = 2,92V
VCEQ = 4,94V

De estos dos últimos valores el menor es el valor de I_CQr_c (2,92V frente a los 4,94V). DE ahí que el pico de salida será MP = 2,92V. Pero como es un pico a pico, multiplimos por dos para obtener el MPP:

MPP = MP x 2 = 5,84V

Efectos térmicos.

Siempre que un semiconductor conduce una corriente experimenta unas pérdidas en forma de calor que elevan su temperatura. Este calor debe de ser rapidamente disipado a fin de evitar que la temperatura del dispositivo llegue a su máximo tolerable y quede destruido por fusión interna de sus cristales semiconductores. A veces será necesario añadir a los transistores de potencia de aletas refrigeradoras que liberen parte del calor producido por el paso de las corrientes internas.

El problema básico de la eliminación del calor es que el calor se transmite rapidamente por todo el dispositivo y es muy difícil hacer que el calor interno se disipe al medio ambiente sino ponemos un refrigerador de aletas o radiador. El calor se transmite de 3 formas al medio ambiente: conducción, convección y radiación. En los transistores de potencia aparecen de la siguiente forma:

Cuando el transistor está al corte no circula corriente por lo que la temperatura ambiente y la del dispositivo son la misma y no existe transferencia de calor (primer principio de la termodinámica). Durante su funcionamiento, disipa potencia que hace aumentar la temperatura del dispositivo. Como ahora el calor del dispositivo está a mayor temperatura que el medio ambiente, se produce un intercambio de calor por conducción desde la propia unión del contenedor del transistor hasta el radiador. Mientras mayor sea la corriente por el dispositivo, mayor será el intercambio de calor.

Como el radiador está pegado al transistor, según aumente éste, aumentará el otro. Y el radiador intercambiará el calor que va acumulando con el medio ambiente en forma de convección. El calor disipado será mayor cuanto mayor sea la superficie del radiador en contacto con el aire.

La transmisión por radiación no se tiene en cuenta ya que para producir radiación infraroja se deben de dar temperaturas que romperían el dispositivo.

En la práctica cuando queremos determinar la superficie del disipador aparecerán una serie de frenos como la facilidad o difilcutad que presentan los cuerpos al paso del calor, la interposición de la mica del semiconductor, la carcasa, etc. Hay que pensar en todos estos frenos como si fuesen resistencias térmicas, las cuales harán que el calor se disipe mejor o peor.

Cálculo del disipador.

Podemos realizar la comparación eléctrica anterior teniendo en cuenta a las temperaturas como tensiones, y las resistencias óhmicas como resistencias térmicas que conducen un flujo de calor como si fuese una corriente eléctrica. Con estos datos podríamos calcular un refrigerador para poder disipar la potencia necesaria, aunque también necesitaríamos conocer la potencia máxima a disipar, la temperatura máxima de la cápsula, etc., etc.

Los simbolos y conceptos que manejaremos vienen dados a continuación:

TEMPERATURA MÁXIMA DE UNIÓN (T_jmax)): Por norma general este datos nos lo proporcionarán las hojas de característica del transistor. Suele aparecer como operating temperature range = -65 +200ºC, que significa que el transistor se ha diseñado para trabajar entre los -65º y los 200ºC marcando el mínimo y el máximo. Si la hoja no lo facilita, marcaremos T_jmax = 135ºC para transistores de silicio, y T_jmax = 90ºC para transistores de germanio.

TEMPERATURA DE UNIÓN (T_j): Es la temperatura efectiva que alcanzará la unión durante su funcionamiento. Este valor no se encuentra en las hojas de características ya uqe dependerá del modo en que refrigeremos el componente y la potencia disipada. El valor de ésta temperatura se fija según la expresión:

Donde K es un factor multiplicativo cuyos valores pueden ser:

● K = 0,5 ≈ Si queremos que el transistor permanezca caliente.
● K = 0,6 ≈ Si deseamos economizar las radiaciones del radiador sin preocuparnos que el transistor esté caliente.
● K = 0,7 ≈ En casos en los que hay que coger al transistor en su máxima potencia, con condición de que el radiador se coloque en el exterior en posición vertical donde exista circulación de aire.

No se recomienda adoptar valores superiores de K > 0,7, pues un mal cálculo en otro de los factores térmicos, se puede correr el riesgo de dañar el transistor. Tampoco valores de K < 0,5, ya que si la potencia a disipar es alta, tendremos que colocar un radiador grande.

RESISTENCIA UNIÓN-CONTENEDOR (R_jc): También suele venir dado en las hojas de características de los componentes. Pero si no se da el valor puedes aplicar la siguiente fórmula:

El resultado se medirá en ºC por cada watio. A continuación se dan unos valores comparativos para cada contenedor.

RESISTENCIA CONTENEDOR-DISIPADOR (R_cd): Esta es la resistencia que se encuentra el calor al intentar propagarse desde el contenedor del transistor hasta el disipador. Como sabrás, el valor de esta resistencia influye notablemente en el cálculo de la superficie del disipador: cuanto menor sea, menor será la superficie del disipador. En la siguiente tabla te indico los valores de resistencias según el tipo de contenedor, siendo:

● 1 - Metal del contenedor del transistor conectado directamente al disipador.
● 2 - Con el cuerpo del transistor conectado directamente al disipador sin uso de mica (pero si de silicona).
● 3 - Con mica aislante y sin pasta de silicona.
● 4 - Con mica aislante y con pasta de silicona.

RESISTENCIA TÉRMICA DEL DISIPADOR (R_d): Esta es la incognita principal para el cálculo del disipador ya que en ninguna hoja de características aparecerá. Podemos calcular su valor según la expresión:

Otros factores importantes son la POTENCIA MÁXIMA DISIPABLE POR EL TRANSISTOR (Wat_max), que es la máxima potencia que puede disipar un transistor según su construcción, la TEMPERATURA DEL CONTENEDOR (Tc = Wat(Rcd + Rd + Ta), que dependerá de la potencia disipada y la resistencia térmica del disipador y la temperatura ambiente. También la TEMPERATURA DEL DISIPADOR (Td = (Wat x Rd) + Ta), también nos ayudará a calcular el disipador escogido para cierto componente.

Bien vamos a dejarlo por aquí para en la práctica de esta clase veas los tipos de amplificadores según su funcionamiento y sus propiedades eléctricas.