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MÓDULO 2.
AMPLIFICACIÓN II.
OBJETIVOS DE ESTE CAPÍTULO:




Entender los amplificadores.
Amplificador en varias clases.
Amplificadores de potencia.
Amplificadores diferenciales.
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En este capítulo vamos a continuar con el estudio de los amplificadores de
pequeña señal, pero además comenzaremos a estudiar las etapas de potencia
que nos servirán para fabricar un amplificador de hasta 100 vatios en prácticas
sucesivas.
Además de repasar términos que ya vimos en capítulos anteriores, vamos a
introducir otros nuevos de los que se ha hablado de manera local.
.
ANALIZAR UN AMPLIFICADOR
El análisis de un amplificador no es una sencilla tarea, es más, sin las
herramientas adecuadas, puede convertirse en una frustrante tarea al no poder
determinar si el circuito se comporta como debería.
En este punto voy a desarrollar al estudiante un modelo a seguir para poder
comprobar el correcto funcionamiento de un amplificador de pequeña potencia,
o preamplificador que funcione en clase A, por lo general.
FUENTES DE ALIMENTACIÓN.
En un amplificador, existen dos fuentes de corrientes; la corriente continua
que polariza al transistor, y la corriente alterna de la señal.
Estas dos fuentes interactúan en el circuito y por lo tanto, en las partes del
amplificador en el cual se juntan, modifican constantemente los valores teóricos
que debería de tener.
En el análisis de amplificadores, primero se debe de calcular el efecto de la
corriente continua sobre el amplificador; y después, el efecto de las corrientes
alternas.
Para hacerlo posible utilizamos los ya mencionados modelos de los
transistores.
Circuito equivalente para continua.
Con este modelos podremos calcular las tensiones y corrientes en un
amplificador cuando está polarizado solamente con la fuente de alimentación,
es decir sin presencia de señal.
Esto implica que no tengamos en cuenta los condensadores y los
consideremos como circuitos abiertos (no pasa corriente ni acumula corriente).
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En la imagen superior puedes ver el modelo en "T" equivalente para corriente
continua.
Como ves la ganancia del transistor está designada por la ganancia de
corriente multiplicada por la resistencia interna de emisor; con que lo más
importante de este circuito es designar el valor de re.
Y para ello necesitamos primero averiguar la corriente de emisor en continua,
pues de lo contrario no podremos calcular re.
Para esto y, simplemente con un tester en modo amperímetro, conectaremos el
amperímetro entre el emisor y la resistencia de emisor Re tal y como se ve en
la imagen.
Esto nos dará la corriente de emisor, y con ello y la formula:
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re = 25mV ÷ Ie
Obtenemos el valor de re para poder así calcular la ganancia que tendrá el
amplificador cuando apliquemos el modelo para señal.
Neutralización de fuentes.
Se puede imaginar que una señal alterna produciría, sobre la fuente continua,
una carga parcial al cambiar de polaridad y agregarse a la de la fuente.
En la realidad, ambas fuentes no llegan a unir nunca sus electrones, pues para
la señal alterna una fuente continua es un cortocircuito y pasa sobre ella sin
producir ningún cambio físico.
La explicación es lógica:
Una fuente de tensión o corriente continua produce una tensión o corriente
constante.
Cuando llega una señal alterna, esta señal alterna no puede producir una
tensión alterna en los bornes de la fuente continua ya que la misma produce su
propia tensión constante.
Al no existir una tensión alterna en la fuente continua, la misma es un
cortocircuito para la señal alterna.
Circuito equivalente de señal.
Para el análisis de la señal utilizaremos el circuito equivalente y lo realizaremos
explícitamente si se trata de un amplificador de polarización de base o por
divisor de tensión.
Para el cálculo, debemos también abrir todos los condensadores, pues lo que
queremos es entender como modifica la señal alterna a la polarización en el
transistor.
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En el circuito superior puedes ver que hemos cortocircuitado los
condensadores.
La tensión +Vcc es un circuito abierto para la señal, por lo que representa la
masa de señal el terminal positivo de la alimentación.
La señal de entrada, cortocircuitado el condensador de entrada, se reparte
entre la resistencia de base en paralelo con la resistencia de entrada del
transistor, tal como se muestra en el circuito equivalente de entrada.
En el circuito equivalente de salida, una fuente de corriente bombea la corriente
alterna ic a través de Rc en paralelo con RL.
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En la imagen superior puedes ver los circuitos equivalentes para un
amplificador de polarización por divisor de tensión.
La única diferencia es que el circuito equivalente de entrada, la señal alterna se
aplica sobre R1, y la tensión resultante sobre R2, y la tensión de ésta sobre la
entrada del transistor.
Resumiendo.
Para la comprobación de un amplificador:





Cortocircuitar todos los condensadores de acoplo y desacoplo existentes en la
etapa a comprobar.
Las tensiones continuas son masas para la señal.
Sustituir al transistor por su modelo "Pi" ó "T" (yo prefiero "Pi").
Dibujar el circuito equivalente.
Realizar el cálculo de la ganancia de tensión, impedancias y otros factores del
amplificador.
Este método ordena todo el cálculo del circuito y te permite mantener una
estructura para el desarrollo del estudio del amplificador.
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CAMBIO AL MODELO "PI" Y AL MODELO "T" Y VICEVERSA
Con el fin de poder calcular correctamente un amplificador y comprender su
funcionamiento, los modelos equivalentes nos ayudan en esas tareas
simplificando el circuito a su mínima expresión.
Como ya has estudiado, se debe de analizar el circuito dependiendo de su
tensión continua y de su señal alterna, separando ambos circuitos.
Sea el circuito:
Sacamos el modelo equivalente en "Pi" y en "T":
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En ambos circuitos, la salida de señal se da entre la resistencia de carga RL.
Como has estudiado en el anterior capítulo, la ganancia de tensión viene dada
por la resistencia de colector para señal (rc) dividida entre la resistencia de
entrada para señal (rc).
Analizando el modelo "T".
Vamos a entender de donde sacamos que la ganancia de tensión viene dada
por la resistencia de salida para señal del transistor dividida por la resistencia
de entrada para señal.
Como la tensión de R1 y R2 es la tensión que produce la tensión continua, no
nos interesa el efecto que produce en ellas la señal alterna y la cual es muy
pequeña y por tanto despreciable.
Por tanto, por re, se aplicará toda la señal de entrada Vin y, por simple Ohm,
establecemos que:
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Vin = ie x re
[1]
En el circuito colector la fuente de corriente bombea una corriente alterna ic a
través de la resistencia de colector para señal:
Vout = ic x rc
[2]
Establecida la ganancia como la tensión de salida entre la tensión de entrada y,
simplificando la ie e ic por ser prácticamente igual, no queda que:
A = Vout ÷ Vin
A = ic x rc ÷ ie x re
A = rc ÷ re
[3]
Analizando el modelo "Pi".
Al igual que sobre el anterior modelo, sobre la resistencia de entrada se aplica
la tensión alterna, que producirá una corriente por el colector y que producirá
una tensión sobre rc.
Se aplican las mismas fórmulas que en el anterior modelo pues el resultado es
el mismo a pesar de que la representación sea diferente.
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IMPEDANCIA DE FUENTE
Hasta ahora hemos supuesto la fuente alterna como una fuente ideal.
Sin embargo, toda fuente alterna tiene una resistencia interna que, a la hora de
diseñar un amplificador, puede modificar la impedancia de entrada al circuito y
hacer que la tensión alterna en la entrada del circuito no sea la adecuada.
El siguiente circuito introduce una resistencia interna del generador, por lo
que ahora hay que rediseñar el circuito para este nuevo valor.
En el circuito se han cortocircuitado a los condensadores para realizar el
circuito equivalente "T".
Como se puede observar, la resistencia interna del generador, está en serie
con el grupo de resistencias que forman la impedancia de entrada del
transistor, por lo que, en ri caerá una tensión y en el grupo de resistencias, la
mayor tensión alterna.
Aquí entra en juego el generador de alterna.
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Si es constante, la tensión de entrada Vin en la entrada del transistor, será
estable y del mismo que valor que Vg; pero si no es constante el generador, la
tensión de entrada Vin será menor que la tensión Vg lo que ocasiona una
pérdida de potencia.
Para saber si un generador es constante, al igual que hemos visto ya muchas
veces, la resistencia interna del generador debe de ser 100 veces menor que la
resistencia de carga a la que esté conectada.
En este caso ri debería de ser cien veces menor que Zin (conjunto de R1 || R2
|| β x re).
EJERCICIO RESUELTO.
El generador de la figura tiene una resistencia interna de 600Ω.
Calcula sus valores de alterna y dime cual es la tensión de salida si B = 250.
RL = 10KΩ.
Lo primero que debemos hacer es comprobar la impedancia de entrada del
circuito, y averiguar si el generador es estable con esa resistencia interna.
Zin = R1 || R2 || b x re, pero para
Ya sabes que
calcular re, necesitamos Ie:
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Ie =
(Vbb - Vbe) ÷ [Re + (R1||R2) ÷ ßdc
Ie =
(1,8V - 0,7V) ÷ [1KΩ + (10KΩ || 2K2Ω) ÷ 250Ω]
Ie =
1,1V ÷ (1KΩ + 7,213115)
Ie =
1,1V ÷ 1007,213115Ω
Ie =
1,1mA
De aquí calculamos re:
re =
0,025V ÷ 0,0011A
re =
22,73Ω
Ahora calculamos la impedancia de entrada:
Zin =
R1 || R2 || re x β
Zin =
10KΩ || 2K2Ω || 5682,5Ω
Zin =
1368,88Ω
Y comprobamos que el generador sea estable:
rg =
0,01 Zin
rg =
0,01 x 1368,88
rg =
13,688Ω
Como el valor de la resistencia de fuente es de 600 ohmios, el generador no es
estable, por lo que se producirá una pérdida de señal en la base del transistor.
La tensión del generador viene designada por la fórmula:
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Vin = (Zin ÷ rg + Zin) x vg
[4]
Por lo que calculamos:
Vin =
(Zin ÷ rg + Zin) x vg
Vin = (1368,88 ÷ 600Ω + 1368,88Ω) x 0,0001V
Vin =
0,6952582178700581Ω x 0,0001V
Vin
0,0000695V
La tensión de salida vendría determinada por la resistencia de colector de señal
entre la resistencia de emisor de señal:
A=
rc ÷ re
rc
Rc || RL
rc =
3K6Ω || 10KΩ
rc =
2647,05Ω
Y ahora calculamos la ganancia de señal alterna:
A=
rc ÷ re
A=
2647,05Ω ÷ 22,73Ω
A=
116,45Ω
Por lo que la tensión de salida viene dada por:
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Vout =
A x Vin
Vout =
116,45 x 0,0001V
Vout =
11,645mV
SEGUNDA ETAPA AMPLIFICADORA
En la mayoría de los amplificadores a transistores, una única etapa es
insuficiente para proporcionar una tensión de salida suficiente como para
excitar un altavoz.
Es muy común en este tipo de amplificadores, el uso de otra etapa para
amplificar aún más la señal amplificada por la primera etapa.
También la señal amplificada de esta segunda etapa se podría llevar a otra
etapa para seguir siendo amplificada lo suficiente.
Hay que decir, que la salida de la primera etapa, se inyecta a la entrada de la
segunda etapa. Y según el teorema de la máxima transferencia de energía,
las cargas deben de ser idénticas en la salida de la primera etapa y la entrada
de la segunda etapa.
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Como ahora son dos etapas, hay que realizar ciertas modificaciones en la
resistencia de carga para señal en la primera etapa:
rc = Rc1 || Zin (etapa2)
[5]
Y esto nos hará que la ganancia en la primera etapa venga dada por:
A1 = rc ÷ re
[5.1]
En la segunda etapa, los cálculos de rc y re son similares a lo ya expuesto.
Ganancia total.
El total de la ganancia es el producto de la ganancia de la primera etapa por el
total de la segunda etapa:
A = A1 x A2
[6]
CLASIFICACIÓN DE LOS AMPLIFICADORES
Creo que es un buen momento para hacer un alto en el camino y hablar de los
tipos de amplificadores que existen dependiendo de la frecuencia a la que
trabajen, el tipo de trabajo que realicen y el desplazamiento de su punto Q en la
recta de carga.
Según esta regla los amplificadores se clasifican en amplificadores de baja
frecuencia, de radiofrecuencia, de corriente continua, o de tensión o potencia.
Amplificador clase A.
Este amplificador ya lo tenemos muy estudiado, ya que el punto Q de este tipo
de amplificador se mantiene en el centro de la recta de carga lo cual implica
que toda la señal de entrada se reproduzca a la salida.
La característica que se persigue en un amplificador en clase A es que se
produzca una amplificación moderada, pero que no se produzca ninguna
distorsión de la señal de salida.
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Este tipo de amplificador consume mucha energía, por lo que el rendimiento de
este amplificador no supera al 20% del total.
Amplificador clase B.
Un amplificador en clase B solo conduce un semiciclo de la señal alterna, por lo
que el punto Q se sitúa cerca de la saturación o el corte, tal como se muestra
en la imagen.
El rendimiento de este amplificador aumenta hasta el 80% ya que en ausencia
de señal, el transistor no consume energía. Y cuando hay señal, amplifican un
único semiciclo, lo que es necesario se inserte otro transistor para que
amplifique el otro semiciclo.
El problema es que produce distorsión por recorte, ya que la señal de audio
no es una señal alterna completa, sino una serie de armónicos de diversas
frecuencias y además, el diodo emisor tiene una tensión que vencer para
poder conducir.
Amplificador clase AB.
Con este tipo de amplificadores se corrige el problema anterior de la distorsión
por recorte, ya que se hace polarizar los transistores con una pequeña tensión
polarizando al punto Q en la zona más baja de la recta, y cuando llegue señal,
los transistores conducirán sin que se produzca la distorsión por recorte de la
que hemos hablado.
Amplificador clase C.
Este es un amplificador especial, ya que el mismo trabaja en la zona de corte
del transistor.
Para que trabaje en la zona de corte, se polariza al transistor inversamente,
pero solo lo necesario para situar el punto Q en la zona de corte inmediata a la
de conducción.
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Cuando llega señal, ésta debe de ser lo suficientemente grande para hacer que
el transistor conduzca; y aun así la señal queda recortada más del 60%, por lo
que solo conduce una parte de un semiciclo.
Este tipo de amplificadores se utilizan en radiofrecuencia.
AMPLIFICADOR EN CONTRAFASE
Cuando necesitamos que nuestro amplificador de más potencia de la que
puede dar un único transistor, podemos optar por dos métodos; el primero es,
junto con otro transistor del mismo tipo y características, crear el circuito
Darlington en paralelo con el primero.
El problema en este tipo de montaje es que debido a la linealidad de los
transistores, se genera mucha distorsión para grandes potencias, lo que no lo
hace ideal.
La segunda opción es la usada más frecuentemente, y es crear un circuito en
"PUSH - PULL" que se vio básicamente en el tema de amplificadores del
módulo anterior.
Los amplificadores en contrafase anteriormente tenían salida por
transformador, pero hoy en día se han eliminado dichos aparatos
electromecánicos innecesarios para tal fin.
Entre las características a destacar entre este tipo de amplificadores cabe
destacar que utilizan dos transistores en contrafase, es decir un transistor de
un tipo y otro de otro tipo.
Además se consiguen potencias superiores que en cualquier otro tipo de
amplificador trabajando en clase A, B y AB.
El gran problema de este tipo de amplificadores es que se requiere de
transistores de potencia y de un circuito inversor de fase al no disponer de un
transformador de impedancias.
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Circuitos inversores.
Un amplificador en contrafase debe de excitarse por señales de igual amplitud
pero desfasadas 180º. Para desfasar la señal se utiliza un circuito inversor
como el siguiente:
Como puedes ver, un inversor de fase es un amplificador en emisor común en
el cual, desde el emisor también se saca la señal.
La diferencia entre un inversor y un amplificador, es que el amplificador está
calculado para amplificar y el inversor lo está para desfasar la señal de entrada.
Si te fijas, la señal que sale por S2 es una señal que llega a un seguidor de
emisor, y por tanto está en fase con la señal de entrada.
Pero la señal que sale del colector, S1 ha pasado por el emisor común y, como
ya indicamos en otros cursos, este montaje proporciona una inversión de la
señal 180º.
Así pues, por la salida S2 tendrás la salida en fase y por la salida S1 tendrás la
salida en contrafase.
Ahora puedes llevar esa señal a un amplificador en contrafase.
Por cierto, tanto Re, como Rc deben de tener el mismo valor para que la señal
del colector desfasada, no sea mayor que la señal en fase del emisor.
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Circuito contrafase.
En la actualidad el uso de este tipo de amplificadores por transistor son los
preferidos debido a su gran ganancia y baja distorsión.
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