FUNCIONAMIENTO DE LOS AMPLIFICADORES.

Funcionamiento en clase A.

Un amplificador de polarización de tensión (PDT) en clase A significa que durante todo el ciclo de trabajo de la señal, está circulando corriente por el colector del amplificador, es decir la corriente circula durante todo el ciclo y si se ha calculado bien, no aparecerán recortes de la señal de salida durante todo el desarrollo de la señal.

Ganancia de potencia.

Si un amplificador tiene una potencia de salida de 10mW y a la entrada de 10µW, su ganancia de potencia será de 0,010W ÷ 0,000010W = 1000.

Potencia de salida.

Aunque normalmente medimos la tensión pico a pico de salida con un oscilador. En este caso la ecuación se modificaría de la forma siguiente:

El factor 8 en el denominador es el componente que viene de 2√2v_rms = v_pp. Si elevamos al cuadrado 2√2 obtenemos 8.

La máxima potencia de salida se da cuando el amplificador está generando una salida máxima pico a pico. En ese caso la salida v_pp iguala a la salida máxima pico a pico y la potencia máxima vendrá dada por:

Disipación de potencia.

Cuando aparece señal, la potencia de disipación disminuye, ya que el transistor transforma alguna de la potencia estacionaria en potencia de señal. Por esta razón la disminución de potencia sin señal es el peor de los casos. La limitación de potencia en un amplificador clase A debe de ser mayor que P_DQ. De otra manera el transistor se destruirá.

Consumo y rendimiento.

Dicha corriente por el circuito proporciona una potencia en continua de:

Y el rendimiento del amplificador clase A viene dado por:

El rendimiento de cualquier amplificador suele estar entre el 0 y el 100%. La fórmula anteerior nos proporciona el método para establecer el rendimiento de cualquier amplificador ya que nos indica lo bien diseñado que está un amplificador para transformar la potencia de entrada en continua en potencia de salida alterna. El mayor rendimiento será cuando la potencia de entrada en continua sea transformada en potencia alterna de salida.

Pero como todas las resistencias del circuito amplificador tienen pérdidas en forma de calor (potencia), el rendimiento del amplificador disminuye bastante del 100%. De hecho, el rendimiento de un amplificador en clase A es del 25%.

Por eso mismo un amplificador en clase A de potencia no se suele usar salvo para aplicaciones especiales. Es muy usado como previos o con circuitos que no necesitan rendimientos altos. Pero si se podría usar un amplificador de potencia en clase A para salidas de potencias de niveles de mili vatios. Pero para salidas de potencia de varios vatios, no seria recomendable.

Funcionamiento en clase B.

En clase A, el amplificador es capaz de operar con circuitos lineales debido a su sencillez de polarización. Pero hemos indicado que el rendimiento del amplificador en clase A no supera el 25% lo que lleva explícito un aumento del consumo de corriente que, en circuitos portátiles sería un punto negativo.

Sin embargo un amplificador en clase B trabaja en contrafase (con dos transistores), lo que significa que para cada semiciclo de la señal solo conduce un transistor.

Así en la señal de entrada cuando la señal lleva el semiciclo positivo conduce Tr1 y cuando cambia el sentido, conduce Tr2. Eso se debe a que el acoplamiento es por transformador y cambia los valores de la señal (inversión de la señal). Eso activa la circulación de corriente por el altavoz en dos tiempos.

Ventajas y desventajas.

Cuando llega señal, el transistor se pone a conducir y reproduce una salida con un rendimiento del 78,5% mucho mayor que el anterior circuito. Pero por desgracia el uso de transformadores de acoplamiento lo convierte en una gran desventaja debido a su peso y volumen, ya que los transformadores de audio son caros y pesados.

Por suerte para nosotros existen unas configuraciones especiales en las que usar un amplificador en clase B sin transformador.

Funcionamiento en clase C.

Para el funcionamiento en clase C necesitamos de circuitos antirresonantes en lugar de carga. Por este motivo la mayoría de los amplificadores en clase C son amplificadores sintonizados.

La tensión alterna de entrada se aplica a la base del transistor que produce una ganancia a la salida por el colector. Esta tensión amplificada e invertida, se aplica a través del condensador de desacople a la carga. Gracias a la acción del circuito tanque, la tensión de salida es máxima a la frecuencia de resonancia dada por la fórmula siguiente:

Para el resto de frecuencias, la tensión cae en proporción a la curva característica de ganancia por frecuencia mostrada en la figura anterior. Esta es la razón de usar amplificador sintonizado ya que su funcionamiento se basa en amplificar bandas estrechas de frecuencia.

Además tiene dos rectas de cargas como las mostradas en la figura anterior. La recta de carga para continua es practicamente la vertical ya que la resistencia R_S es la resistencia de la inducción del conjunto tanque y es muy pequeña. Esta recta de carga no nos interesa (desde el punto de vista funcional), porque el transistor no está polarizado. La importante es la recta de carga para señal. Como se indica el punto Q2 está cuando no hay presencia de señal por el transistor. Cuando llega una señal a través del transistor, el punto Q2 se mueve a través de la recta de carga al punto Q1 (hasta la saturación). El valor máximo de corriente viene dado por la tensión Vcc/r_c.

Desplazamiento de corriente continua de la señal de entrada.

En el circuito equivalente puedes ver el desplazamiento negativo. Solo los pulsos positivos de la señal llegan a la entrada del diodo emisor. Pero debido a la barrera de potencial de dicho diodo, los pulsos positivos no se reproducen los 180º, sino algo menos.

Ecuaciones de clase C.

Como este amplificador tiene unas características especiales, cabe mencionar las ecuaciones que lo rigen. Aunque de forma universal comparte unas con sus homólogos de trabajo en otras clases como la ganancia de potencia, la potencia de salida en alterna, la potencia de entrada en continua y el rendimiento.

Ancho de banda.

BW = f2 - f1

Donde f₁ es la frecuencia inferior y f₂ es la frecuencia superior.

La frecuencia de potencia media es igual a la frecuencia en la cual la ganancia de tensión es 0,707 veces la ganancia máxima. A menor BW, se estrechará el ancho de banda del amplificador.

La fórmula anterior se puede sustituir por la siguiente fórmula:

El factor de calidad Q, es la calidad del conjunto tanque. Con ello la fórmula anterior nos indica que el ancho de banda es proporcional a Q. A mayor valor de Q, menor será el ancho de banda.

Los amplificadores en clase C tienen un circuito donde Q suele ser mayor de 10, lo que se traduce en un ancho de banda un 10% menor que la frecuencia de resonancia (de ahí que los amplificadores de clase C sean amplificadores de banda estrecha).

Caída de corriente para resonancia.

Por arriba y debajo de la frecuencia de resonancia, la corriente por el colector subirá ya que disminuye la impedancia del tanque.

Resistencia de colector para corriente alterna.

Donde Q_L es el factor de calidad del inductor, X_L, la reactancia inductiva y R_L la resistencia de la propia inductancia.

Recuerda que el valor de Q solamente es para la autoinducción. El circuito completo tiene una Q menor al incluir el efecto físico de su resistencia interna.

La resistencia en serie de la inductancia se puede sustituir por una resistencia en paralelo con la inductancia como se muestra en la siguiente imagen. Cuando Q es mayor de 10, esta resistencia equivalente viene dada por la fórmula siguiente:

A la frecuencia de resonancia, X_L cancela a X_C por lo que lo único que queda es la resistencia física. Por tanto, a la frecuencia de resonancia, la resistencia vista desde el colector es:

Por lo que el vlaor de Q cambia según:

Es importante recalcar que en este circuito la Q es menor que la Q_L (del inductor). En la práctica se suele hacer que Q_L sea tipicamente de 50 o mayor.

Ciclo de trabajo.

Siendo D, el ciclo de trabajo, W, la anchura del pulso y T el periodo del pulso. Por ejemplo una señal de 0,2µs de pulso con un periodo de 1,6µs, el ciclo de trabajo será de 0,125.

Tan pequeño será el ciclo de trabajo como estrecho sean los pulsos en comparación con el periodo. Un amplificador en clase C tiene un ciclo de trabajo pequeño. De hecho, el rendimiento aumenta cuando el ciclo de trabajo disminuye.

Ángulo de conducción.

D = Ǿ ÷ 360º

Así, por ejemplo un ángulo de conducción de 18º, tendría un ciclo de trabajo de 0,05.

Disipación de potencia.

Como la tensión máxima es del doble de la de alimentación, el transistor deberá tener una V_CEO mayor que 2Vcc.

Dicha corriente de colector alcanza un valor máximo I_C(sat). El transistor deberá tener en sus características un pico de corriente superior a esto. Por lo tanto la potencia dependerá del ángulo de conducción. Cuando el ángulo de conducción está por encima de los 180º, la potencia de disipación aumenta. La potencia máxima de disipación viene por la fórmula siguiente:

Aunque esta ecuación representa el peor de los casos ya que un amplificador que funcione en clase C deberá tener unas características de potencia superiores o se destruirá. En condiciones normales de operación, el ángulo de conducción debe de ser mucho menor de 180º y la potencia de disipación será menor de MPP₂⁄40r_c.

Existen otras clases de trabajo como la clase AB, o la clase D. Además existen muchas configuraciones para evitar efectos desagradables en las salidas de los amplificadores, pero ya eso queda para futuras clases en otros cursos, ya que no puedo centrarme en un único sistema electrónico.