Amplificación.
La figura siguiente te muestras el circuito fundamental de un amplificador de audio. Consta de un micrófono de carbón (ya poco usado), un auricular telefónico, un transistor y unas baterías. Este circuito es muy sencillo:
El micrófono, al hablar frente a él, modifica su resistencia interna ya que mueve los gránulos de carbón de los que está compuesto, con lo cual modifica la intensidad de base (mira que T1 está polarizado por BAT1 directamente). Al ser BAT2 mayor que BAT1 y polarizar a T1 inversamente, la intensidad de salida de colector se modifica a la variación de la intensidad de base, pero amplificada; esta señal, al pasar por el altavoz, y al ser amplificada, se escuchará lo que se ha hablado por el micrófono. Aunque este circuito es un amplificador real, en la práctica tendríamos que cuidar las tensiones de polarización, ya que, como puedes observar, no existe ninguna resistencia disipadora, con lo cual las únicas resistencias son las internas de los elementos, las cuales son pequeñas, y existe por tanto riesgo de quemar el circuito o parte de sus componentes.
Un amplificador no suele por lo general entregar energía eléctrica a un altavoz como es en este caso, sino que la entrega en forma de componente alterna(señal amplificada).
Un amplificador es un conjunto de etapas independientes o unidas cuya función principal es la de tratar una débil señal y convertirla en una señal de mayor amplitud o potencia. Podemos esbozar el diagrama de un amplificador como muestro a continuación:
Como puedes ver, un amplificador dispone de etapas en las cuales, cada una realiza una función específica. Como ves, todas las etapas deben de ser alimentadas, y la etapa que más consume energía es la última etapa, la de potencia. Esta etapa se suele llamar de salida y suele entregar al altavoz la señal de potencia necesaria para excitarlo suficiente para que se pueda escuchar la pequeña señal de la entrada del preamplificador.
Etapas de salida.
La etapa de salida depende de la configuración de sus transistores, por tanto podemos encontrar distintos tipos de etapas de potencia.
Etapa de salida simple:
Este tipo de etapa se utiliza en los circuitos donde las exigencias de potencia son muy reducidas. Utiliza un solo transistor. Para acoplarlo al altavoz se suele utilizar un transformador en modo de acoplamiento de impedancias, con lo cual el uso de este tipo de amplificadores ha quedado solo en interés didáctico.
El amplificador de etapa simple ha de trabajar en clase A, para que la señal se pueda reproducir en su totalidad. El transistor que lo compone suele ser de potencia. Te explico el circuito:
El circuito es un circuito en emisor común. R1 y R2 sirven para polarizar al transistor. R3 polariza la corriente de emisor y Ce ofrece poca reactancia a la señal a amplificar. La batería polariza el emisor directamente y el colector inversamente (NPN); y la amplificación de la señal se saca por dicho colector y pasa por L1.
¿Pero qué pasa en R3? Como ya vimos, el aumento de la corriente inversa no controlada (temperatura), representa un peligro para el transistor. Para contrarrestar dicho efecto se agrega una resistencia al emisor. Esta resistencia es más negativa en su extremo conectado a la batería, que en el extremo del emisor, por lo tanto, aumenta la resistencia interna del diodo emisor (recuerda:unión base-emisor).
Al introducir una señal al transistor, la corriente que atraviesa R3 es la corriente de polarización del emisor y es de componente continua. La señal que se aplica al transistor es de componente variable y, gracias a Ce no modifica el punto de trabajo del transistor. Ce debe ser 10 veces menor que Re (hablamos de reactancias) para que la señal variable elija el camino del condensador.
Etapa de salida en paralelo:
Este circuito es muy parecido al anterior, pero con la diferencia de que es muy pobre en rendimiento. Se utilizaban para circuitos de mayor potencia. Como se puede apreciar tiene un transistor extra en paralelo con el otro transistor de tal manera que sus patillas están todas conexionadas en paralelo.
Salida en PUSH-PUSLL o simétrica:
Como el circuito anterior era muy pobre se buscó el sustituto con otros circuitos y se decidió por el push phull.
Esta etapa utiliza 2 transistores, de manera que cuando uno conduce, el otro está al corte. Trabajan en emisor común y clase B (durante 180º solamente). La batería polariza el colector de ambos transistores con respecto de los respectivos emisores, y no se polarizan sus bases. En estas condiciones, y despreciando las corrientes de fuga, la corriente de colector es cero. En el instante en que se aplique señal a las bases de los transistores, como son simétricos, uno conducirá y el otro no; el que conduzca aumentará la corriente de colector, y el que no, se mantendrá como tal.
Este tipo de circuito posee mayor rendimiento que los anteriores por el hecho que cuando no se aplica señal a las bases de los transistores, no existe corriente de colector, por lo tanto sin señal el consumo es cero, mientras que en los anteriores circuitos, siempre existía un consumo en el colector.
Simetría complementaria
Los circuitos estudiados hasta ahora como has observado tenían transformadores. En la actualidad el uso del transformador en amplificación se queda reservado para amplificaciones especiales, ya que el uso del transistor ofrece impedancias varias, dependiendo de la configuración del amplificador,que junto a otros elementos proporcionan un acoplamiento de impedancia óptimos. Bien dicho esto, pasaremos a estudiar el siguiente circuito:
El circuito de salida complementaria utiliza dos transistores de distinto tipo; uno PNP (Q1), y otro NPN (Q2). Este circuito no necesita etapa inversora (lo estudiarás a continuación), ya que los 2 transistores están configurados en colector común (se aplica la señal a la base y la carga se conecta al emisor). Como la impedancia de salida por el emisor es muy baja, Rc, se puede sustituir directamente por la bobina del altavoz (aunque no es recomendable hacer esto).
El funcionamiento es simple. Cuando llega el semiciclo positivo, Q1 no conduce, pero si lo hace Q2 permitiendo paso de electrones hacia Rc. Cuando se invierte el sentido de la señal, Q2 pasa al corte y conduce Q1 haciendo pasar los electrones por R2. En ambos casos, la circulación de electrones por R2 se ha producido, pero en un tiempo, en un sentido y, en el otro tiempo, en el sentido contrario.
Salida cuasi complementaria o salida en puente:
La diferencia del circuito anterior y la de este circuito es en el circuito anterior los 2 transistores que lo formaban eran de distinto tipo. En este circuito, los transistores son del mismo tipo.
En el ejemplo se puede apreciar este tipo de circuito. Al igual que en el circuito anterior, cuando no existe señal, no circula corriente a través de los transistores.
cuando uno de los transistores recibe señal por la base que lo hace conducir, el exceso de de corriente que no circula por el otro transistor, lo hace por la carga, con lo que se produce una variación de corriente equivalente al sonido cuando pasa por una bobina móvil de un altavoz.
Inversores de fase.
En el circuito de simetría y en el de salida complementaria, se necesitaba una señal desfasada 180º. Como ya sabes se puede desfasar una señal mediante un transformador con punto medio en su secundario; o también con una etapa llamada inversora.
Una etapa inversora es prácticamente un amplificador clase A que trabaja en emisor común.
Los valores de R1 y R4 son iguales para las tensiones sobre estas sean parecidas (recuerda que no son idénticas ya que la corriente de colector es menor a la de emisor, por el factor alfa).
Auriculares.
El auricular constituye uno de los transductores más sensibles que existen hoy en día para la transformación de señales eléctricas en vibraciones acústicas capaces de impresionar el oído humano o animal.
Aunque en el mercado existen muchas formas su funcionamiento siempre es el mismo y está fundamentado en el electromagnetismo en la gran mayoría de los casos. Aunque existen auriculares de tipo piezoeléctricos o de cristal.El funcionamiento es sencillo.
Consta de una o dos bobinas capaces de crear un campo magnético relativamente intenso debido a su gran número de espiras. El flujo se concentra en los núcleos de hierro, sobre los cuales, y en sentido perpendicular, se monta una delgada membrana de acero, muy elástica y sensible a las atracciones y repulsiones del electroimán. El núcleo de hierro suele ser un imán para que la capa delgada mantenga su excitación. Las vibraciones que producen los campos electromagnéticos de las espiras, hacen que la membrana delgada se desplace de arriba abajo en concordancia de estos campos. La membrana al moverse ejerce una presión en el aire que desplazan las moléculas del medio y las hace vibrar a la frecuencia de la presión en una frecuencia y armonía fijada por la variación del campo electromagnético.
Altavoces.
El funcionamiento del altavoz es similar al del auricular, pero con la diferencia de que el altavoz es mayor y de potencia superior.
El tipo de altavoces más utilizados son los de bobina móvil. Cuando la señal eléctrica amplificada llega al altavoz, la intensidad de la señal circula por la bobina móvil del altavoz generando campos electromagnéticos variables en función de la señal. Como en los auriculares, la bobina móvil esta unida al diafragma o membrana delgada metálica. Los campos generados, se repelen y atraen con el campo que genera el imán del altavoz, que suele ser fijo; y al estar unida la membrana a la bobina móvil, esta se desplaza verticalmente y retrocede de acuerdo a las variaciones de señales eléctricas, produciendo así una presión en el cono que hace vibrar las moléculas de aire circundante al mismo, aportándolas energía para vibrar y hacer posible la audición de la señal eléctrica.
Existen otros tipos de altavoces, aunque el efecto es similar, los altavoces coaxiales y triaxiales se suelen utilizar para alta fidelidad y se diferencian en que tienen uno o dos altavoces dentro del propio altavoz (se llaman altavoces de graves y agudos). Su sistema de acoplamiento suele ser en paralelo con la bobina móvil, aunque algunos utilizan la serie-paralelo. Otro tipo de altavoces se suelen usar para aplicaciones pequeñas como campanillas o timbres, suelen ser los altavoces electrostáticos y basan su funcionamiento en la atracción y repulsión de cargas eléctricas enfrentadas entre sí por medio de 2 placas metálicas de distinto potencial (igual que un condensador), pero una placa es fina, delgada y móvil y la otra es pesada y fija. Suelen reproducir frecuencias entre 8Kh y 20Kh.