Circuitos con semiconductores.

Modo de operación de un amplificador.

El circuito básico de un amplificador de audio tiene esta estructura de bloques:

esquema de un amplificador de audio

En cada etapa, de acuerdo a su función, se le hace trabajar al transistor en una determinada clase. Vamos a ver las distintas clases en las que puede trabajar un transistor.
NOTA: se utiliza una señal sinusoidal que se desarrolla durante los 360º que dure todo el ciclo. 180º en un semiciclo y 180º en el otro semiciclo.

CLASE A:

Un amplificador trabaja en clase A cuando se polariza el transistor de forma tal que conduce durante los 360º de la señal eléctrica. A la salida se obtiene una señal similar pero de amplitud mayor a la de entrada. Dependiendo del tipo de amplificador (emisor común generalmente), existirá un desfase de la señal de salida con respecto a la señal de entrada. El desfase es común a todas las clases.

amplificador en clase A

CLASE B:

Se dice que un amplificador trabaja en clase B cuando se polariza el transistor de manera que conduce 180º de la señal, mientras que los otros 180º está CLASE al corte. Esta forma de trabajar B introduce una gran deformación de la señal de entrada, ya que a la salida se obtiene solamente medio ciclo.

amplificador en clase B

CLASE C:

En este caso al aplicar a la entrada el ciclo completo, el transistor conduce durante un tiempo menor de 180º introduciendo una deformación muy importante a la salida.

amplificador en clase C

CLASE AB:

Esta forma de trabajar el transistor, es intermedia entre la clase A y la B. Aplicando a la entrada del amplificador la señal sinusoidal de 360º a la salida se obtienen una señal superior a los 180º.

amplificador en clase AB

Acoplamientos.

Durante el estudio de como amplifica el transistor, solamente se considera una etapa. Así la carga se considera como una resistencia. En circuitos complejos se requieren varias etapas amplificadoras para poder amplificar la señal a un nivel audible; el problema que cada etapa conlleva una carga que hay que acoplar a la etapa siguiente. Según la ley de transferencia y acoplamiento eléctrico se dice que para obtener el máximo traspaso de energía de una etapa a otra con la menor perdida de señal o potencia, la salida del circuito y la entrada del segundo circuito deben ser igual o lo mas parecida posible. Existiendo varios métodos de acoplamiento, debemos tener en cuenta esta ley universal a la hora de calcular el circuito. Aquí ahora vamos a estudiar los métodos de acoplamientos que se utilizan para igualar las impedancias de salida y entrada.

Acoplamiento resistencia - condensador.

Este tipo de acoplamiento utiliza la resistencia de carga R-C estudiada anteriormente. La señal que se desarrolla en ella, se transfiere a la siguiente etapa a través de un condensador, el cual se calcula para que la impedancia de salida coincida con la impedancia de entrada al otro circuito. Como el condensador bloquea la tensión continua al segundo circuito, solo pasará la componente alterna (señal). Este tipo de acoplamiento es muy eficaz y ocupa poco espacio además de introducir poca deformación al hacer RC que mantenga su valor la señal para todas las frecuencias, manteniendo la amplificación constante. El condensador no hace lo mismo; como ya has estudiado, al aumentar la frecuencia disminuye la reactancia, cosa que modifica la impedancia de salida y reduce el acoplamiento.

acoplamiento por resistencia y condensador

Pues ver en la imagen anterior que el acoplamiento se realiza por medio de un conjunto de resistencia y condensador tanto en la entrada del amplificador como en la salida del mismo.

Acoplamiento inductor - condensador.

En este caso la resistencia de carga es sustituida por una inductancia, de manera que si aumenta la frecuencia de la señal, aumenta la reactancia inductiva del inductor; pero como disminuye la reactancia del condensador, la impedancia tiende a disminuir y no modificarse, ya que el circuito inductor - condensador está pensado para trabajar a cierta frecuencia. Por tanto, este tipo de acoplamientos que dependen de la frecuencia de trabajo se dan en otros circuitos como filtros en rectificadores, por ejemplo.

Acoplamiento a transformador.

Su utilización presenta ventajas y desventajas. Con respecto a las primeras, estas ofrecen amplificación de tensión, que los anteriores tipos de acoplamientos no tenían; además pueden equilibrar impedancias y se puede obtener la misma señal con fases opuestas. Entre sus desventajas; su costo; predisposición a captar campos magnéticos; que al ser la carga una inductancia se tengan problemas con la impedancia de entrada. Los transformadores de acoplamiento se diferencian entre sí de acuerdo a la frecuencia a la que van a trabajar; a frecuencias de audio, el transformador suele tener núcleo de hierro; y a frecuencias altas suele ser de aire (radiofrecuencia).

Acoplamiento directo.

No se suele utilizar para amplificar audio. Se suele utilizar como amplificadores de corriente continua teniendo el inconveniente de que no es tan estable como los sistemas anteriores.

Características de los rectificadores

Un rectificador tiene la característica principal de que rectifica la señal alterna que le llega al circuito y a su salida proporciona una señal continua pulsante que se utilizará para conseguir otras funciones específicas en el circuito alimentado. Si es verdad que la rectificación de la corriente alterna conlleva muchas consecuencias, pero en electrónica la gran mayoría de las veces nos interesa que la corriente alterna quede lo más estable posible.El problema de conseguir una corriente eléctrica totalmente rectificada tiene que ver directamente con la frecuencia de la red eléctrica.

Como ya sabes, la señal alterna de la red eléctrica, es una señal de una frecuencia de 60 Hercios, y una longitud de onda de cinco millones de metros. Es decir, que un ciclo alterno de 60Hz cuyo periodo es de 0,0166666666666667 segundos, se desplaza 5000 kilómetros en sus dos alternancias. Esta ultra baja frecuencia genera que los pulsos en la red eléctrica se puedan propagar grandes distancias a través de conductores; por eso la corriente eléctrica que sale de las centrales generadoras de electricidad es alterna. Después unos transformadores reponen la energía consumida por la línea y la adaptan a la central de la ciudad para repartirla a los diversos domicilios y empresas. Y al ser de tan baja frecuencia, genera un problema en los componentes electrónicos que se polarizan con tensiones rectificadas alternas.

No voy a alargarme mucho más en el tema en cuestión, porque para que entiendas el efecto que produce los pulsos eléctricos en los semiconductores, deberías de estudiar física y hacer una carrera universitaria de ingeniería en la cual, mediante formulas avanzadas, te mostrarían los efectos de la baja frecuencia en el rectificado.

Proceso de rectificado.

La rectificación se lleva a cabo mediante el transvase de energía eléctrica de los dipolos en la barrera de potencial del semiconductor en general. Cuando llega el semiciclo positivo y el rectificador está conectado en directa, la energía potencial del dipolo disminuye debido a la presión eléctrica que se crea en el interior del la juntura. El proceso se muestra en las imágenes:

presión eléctrica afecta al dipolo

presión eléctrica afecta al dipolo

presión eléctrica afecta al dipolo

presión eléctrica afecta al dipolo

Como puedes ver, el proceso que te muestro en las imágenes indican el funcionamiento del diodo en un ciclo polarizado directamente. Es conveniente aclarar que el diodo solo conduce en la zona de trabajo designada al alcanzar la tensión de polarización y hasta que disminuye por debajo de la misma. Durante el ciclo negativo alterna, el diodo no conduce en ningún momento lo que reduce el rendimiento del diodo en la rectificación a un 15% por ciclo. Ahora, como por cada 0,0166666666666667 segundos se reproduce un ciclo completo, estamos hablando de que cada 0,0166666666666667 segundos trabajamos 0,0025 segundos. Si ahora pensamos que el diodo no va a trabajar durante un único ciclo, la forma de la corriente rectificada alterna tendrá esta forma en una gráfica:

gráfica de rectificación

También hay que tener en cuenta que por cada sección rectificada, existe una variación de corriente en esa parcial continua:

forma de onda rectificada

Por lo tanto, al recurrir a la rectificación por diodos, se requiere que siempre existan unos filtros y reguladores que filtren y aplanen esta variación de la señal rectificada.

Construcción de fuente de alimentación I.

En este último punto vamos a crear una fuente de alimentación que usaremos en proyectos posteriores. Además vamos a hacer que dicha fuente esté estabilizada de tensión agregándole un regulador zener.

fuente de alimentación con regulador por zener

El circuito es muy sencillo y fácil de montar; aún así requiere prestar atención a los componentes que usa el circuito.

Los componentes que utilizaremos serán un circuito rectificador en puente, un filtro pasa altos que constará de un único condensador, pues para este tipo de fuente es suficiente, y un regulador de tensión Zener para formar una fuente de alimentación estabilizada. Los componentes que utilizaremos te los muestro a continuación:

● 1 transformador reductor 230V / 15V a 0,3A es CE 10.064
● 1 puente rectificador B250C
● 1 diodo Zener C9V1PH
● 1 condensador y una resistencia que calcularemos más tarde.

Para el transformador, he decidido usar un reductor básico, disponible en cualquier equipo electrónico y que puedes encontrar en cualquier tienda de electrónica a un precio económico. El rectificador en puente equivale a un rectificador de doble onda convencional. Rectifica la señal alterna de la salida del transformador y que nos proporciona una salida en el secundario de unos 15 voltios. Este transformador, tiene una resistencia física en el secundario de 3,1Ω.

transformador reductor

El secundario del transformador se aplica al puente rectificador, y a la salida se obtiene una tensión pulsante con componente continua, pero cuyo factor de rizado podría afectar a equipos que manejen pequeñas señales.

Fíjate que el puente rectificador está formado por un B250C y que tiene 4 patillas. A ambos lados observa que tiene dos símbolos de corriente alterna y son en las patillas en las que lo tienen en donde deberás de conectar la salida del secundario del transformador. También tiene un símbolo +, que indica que esa patilla es la positiva; por lo tanto la opuesta será la negativa.

Puente rectificador

Pero la salida del puente, que será también pulsante, se tiene que aplicar a un filtro pasa altos que reducirá mucho el rizado de la tensión pulsante continua y hará que la tensión sea aún mucho más plana. Este filtro estará formado por un condensador electrolítico.

La última etapa está formada por un regulador de tensión que mantendrá la tensión de la fuente de alimentación estable a un valor fijo.

diodo zener como regulador

Para esta fuente he elegido el C9V1PH como diodo Zener cuya hoja de características nos dice que el diodo tiene una tensión Zener de 9,1 voltios, y que la máxima intensidad zener debe de ser de 32mA para una potencia de 300mW, lo que calcularemos el circuito para que trabaje el diodo en valores inferiores a esos. Ten en cuenta que el transformador elegido proporciona unos 15 voltios pico a pico, pudiendo alcanzar valores de hasta 18 voltios en continua, por lo que tendremos que utilizar resistencias limitadoras. Como puedes ver, y al igual que casi todos los diodos, una marca indica su cátodo (terminal negativo). He elegido este tipo de semiconductor, para que veas precisamente el efecto deseado de la regulación ya que la fuente, proporcionará casi el doble de la tensión que el diodo Zener necesita para conducir en inversa, por lo que el efecto se verá de manera significativa.

Cálculo de la resistencia limitadora y filtro.

El cálculo del circuito implica las resistencias e impedancias que afectan al desarrollo del mismo. Un fallo en el cálculo de las mismas, podría inutilizar parte de sus componentes vitales, sobre todo el diodo Zener. Por ello, utilizaremos una resistencia limitadora de la intensidad que circulará por el Zener y así evitaremos que esté entre en avalancha descontrolada y se queme.
NOTA: Por norma general junto al diodo Zener se suele utilizar un transistor semiconductor que hará de conmutador al diodo, protegiéndolo de sobre tensiones de la fuente. No he considerado oportuno introducir este elemento en el circuito debido a que aún no lo hemos estudiado en profundidad.

Empezando por el transformador, y teniendo en cuenta que su relación de espiras es de 15:1, si se introduce 230V, nos proporcionará de 15,3333V de alterna pico a pico, lo que significa que una vez rectificada por el puente tendremos una tensión continua de:

15,333 - 1,4V = 13,93V

Recuerda que restamos el valor de 1,4V que es el valor de la tensión de los diodos del circuito, y que el valor 15,333V es la tensión pico de la señal en el secundario.

El filtro pasa altos permite el paso de frecuencias altas, bloqueando las bajas frecuencias. Nuestra tensión continua, es pulsante, lo que significa que si la conectáramos a un altavoz, escucharíamos un montón de ruido que proviene de la corriente rectificada. Esta corriente pulsante, no nos molestaría, para trabajar con valores estáticos y cálculos de segmentos de circuitos, pero no nos serviría para usarlos en circuitos de radiofrecuencia, de audio, vídeo, comunicaciones, etc., etc.

Para calcular el filtro, debes de conocer la frecuencia de la señal. Recuerda que un rectificador de doble onda y en puente, rectificaban todo el ciclo de la señal, lo que conseguían que la frecuencia de salida fuese el doble de la de entrada, por lo que tenemos que la frecuencia de resonancia que queremos obtener del filtro es de 120Hz. Un filtro pasa alto, a la baja frecuencia, ofrece baja resistencia a la señal, lo que la parte alterna de la corriente pulsante se deriva a masa, mientras que la parte continua continua al regulador mas filtrada. Para ello, necesitamos un condensador en serie con una inducción, y además que ambos estén en paralelo con la entrada de la fuente.

filtro pasabajos

El valor del condensador para una reactancia capacitiva próxima a unos 3,1Ω (la resistencia de salida del condensador) para la frecuencia de resonancia:

C = 1 ÷ 2 x 3,1415 x 120Hz x 3,1Ω = 0,000427F

El valor del condensador para una reactancia de 3,1Ω a la frecuencia de resonancia es de 427µF.

Vamos a utilizar en nuestro circuito un condensador de 330uF y 25V, que tendrá una reactancia de 4Ω a la frecuencia de resonancia.

La inductancia para la frecuencia de resonancia es de:

L = 2 x 3,1415 x 120Hz x 3 = ¡¡¡UNA BARBARIDAD!!!!

Aquí uno de los problemas de los filtros pasa altos para baja frecuencia. Necesitaríamos una bobina ENORME, y el circuito tiene que ser pequeño; por lo tanto, descartamos el filtro pasa alto con bobina y utilizaremos el filtro por condensador únicamente.

La solución para el uso de estos filtros conjuntos es realizar una fuente conmutada, en la cual la frecuencia de salida ya es de miles de hercios, y se pueden utilizar bobinas pequeñas para tal fin. Pero de momento esa es otra práctica que mas adelante podrás hacer.

Como te habrás dado cuenta, hemos hecho que la reactancia capacitiva del condensador que vamos a utilizar como filtro, tenga el mismo valor de resistencia que el secundario del transformador. Eso hará que la transferencia de energía sea máxima entre el secundario y el filtro, y así exista la mínima perdida de potencia en el filtro.

En este instante, el rizado de la señal se ha aplanado bastante, y la tensión continua es mas o menos estable. Ahora el problema es la intensidad.

Hasta entonces, la intensidad dependía de la reactancia del filtro y la resistencia del secundario, lo que la hace demasiada alta para el Zener, ya que la baja reactancia del circuito anterior, dispara la intensidad. Vamos a utilizar una resistencia reguladora o lo que es una resistencia de fuente RS.

Recuerda que en en capítulos anteriores, hemos hablado que en una segunda aproximación, para que no haya que tener en cuenta la resistencia interna de la fuente (los 4Ω), la resistencia de fuente debe de ser por lo menos 100 veces mayor que ella para poder despreciarla. Entonces:

RS = 100 x Ri = 100 x 4 = 400Ω

Lo cual utilizaremos una resistencia estándar de 510Ω de un cuarto de potencia (convencional). Esta resistencia nos limitará la intensidad a:

I = 13,93V ÷ 510 = 27,3mA

Lo que está dentro del valor máximo de la corriente por el diodo (<32mA de Zmax.). Después de esta resistencia conectamos el diodo Zener por un extremo a la resistencia, y por el otro extremo a la masa del circuito.

regulador Zener

NOTA: Se ha sustituido la salida del condensador por su tensión Thevenin.

Como paso final, nos queda introducir una carga en la cual se reflejará la caída de tensión del Zener. Para ello, y en paralelo con el Zener, introduce una carga, en este caso resistiva cuyo valor nos interesa que sea alto para que toda la tensión caiga en ella. Se suele calcular la resistencia para la máxima corriente por el diodo, pero eso haría que utilizaramos la carga como fuente de corriente, lo que no nos interesa.

Para la carga, utilizaremos como ya hemos visto la formula de fuentes de tensión en la que dice que la resistencia de carga debe de ser cien veces superior a la resistencia de fuente, para que se produzca la máxima transferencia y poder despreciar ésta para el cálculo. Con esto:

Rc = 100 x RS = 100 x 510 = 51KΩ

Esta es la carga mínima que necesitamos en nuestro circuito para que la fuente de alimentación pueda ser práctica. Como puedes ver con pocos componentes (5) hemos rectificado, filtrado y regulado la tensión alterna de entrada. Si, este circuito es demasiado simple, pero creo que es una buena práctica para empezar a crear fuentes de alimentación reguladas.

Ahora visita nuestra sección de vídeos para conocer como ensamblar ésta práctica.