Los amplificadores de emisor comunes son el tipo de amplificador más utilizado, ya que pueden tener una ganancia de voltaje muy grande
Los amplificadores Common Emitter (CE) están diseñados para producir un gran cambio de voltaje de salida a partir de un voltaje de señal de entrada relativamente pequeño de solo unos pocos milivoltios y se usan principalmente como "amplificadores de señal pequeños" como vimos en los tutoriales anteriores.
Sin embargo, a veces se requiere un amplificador para impulsar grandes cargas resistivas, como un altavoz o un motor en un robot, y para este tipo de aplicaciones donde se necesitan altas corrientes de conmutación, se requieren amplificadores de potencia .
La función principal del amplificador de potencia, que también se conoce como "amplificador de señal grande", es entregar energía, que es el producto del voltaje y la corriente de la carga. Básicamente, un amplificador de potencia es también un amplificador de voltaje, y la diferencia es que la resistencia de carga conectada a la salida es relativamente baja, por ejemplo, un altavoz de 4Ω u 8Ω que produce corrientes altas que fluyen a través del colector del transistor.
Debido a estas corrientes de alta carga, los transistores de salida utilizados para las etapas de salida del amplificador de potencia, como el 2N3055, deben tener un voltaje y una potencia más altos que los generales utilizados para los amplificadores de señal pequeños como el BC107 .
Dado que estamos interesados en brindar la máxima potencia de CA a la carga, mientras consumimos la mínima potencia de CC posible del suministro, nos preocupa principalmente la "eficiencia de conversión" del amplificador.
Sin embargo, una de las principales desventajas de los amplificadores de potencia, y especialmente el amplificador de Clase A, es que su eficiencia de conversión general es muy baja, ya que las corrientes grandes significan que se pierde una cantidad considerable de energía en forma de calor. El porcentaje de eficiencia en amplificadores se define como la potencia de salida rms disipada en la carga dividida por la potencia total de CC tomada de la fuente de alimentación como se muestra a continuación.
Eficiencia del amplificador de potencia
- Dónde:
- η% - es la eficiencia del amplificador.
- Pout : es la potencia de salida del amplificador entregada a la carga.
- Pdc - es la potencia de CC tomada de la fuente.
Para un amplificador de potencia es muy importante que la fuente de alimentación de los amplificadores esté bien diseñada para proporcionar la potencia continua máxima disponible a la señal de salida.
Amplificador de clase A
El tipo más comúnmente utilizado de configuración de amplificador de potencia es el amplificador clase A . El amplificador de Clase A es la forma más simple de amplificador de potencia que usa un solo transistor de conmutación en la configuración estándar del circuito de emisor común como se vio anteriormente para producir una salida invertida. El transistor siempre está polarizado en "ON" para que conduzca durante un ciclo completo de la forma de onda de la señal de entrada, produciendo una distorsión mínima y la amplitud máxima de la señal de salida.
Esto significa que la configuración del amplificador de clase A es el modo de funcionamiento ideal, ya que no puede haber distorsión cruzada o de apagado en la forma de onda de salida, incluso durante la mitad negativa del ciclo. Las etapas de salida del amplificador de potencia Clase A pueden usar un solo transistor de potencia o pares de transistores conectados entre sí para compartir la corriente de alta carga. Considere el siguiente circuito amplificador de clase A.
Circuito amplificador de una sola etapa
Este es el tipo más simple de circuito amplificador de potencia de Clase A. Utiliza un transistor de un solo extremo para su etapa de salida con la carga resistiva conectada directamente al terminal del colector. Cuando el transistor se pone en "ON", la corriente de salida a través del colector se sumerge, lo que provoca una inevitable caída de voltaje en la resistencia del emisor, lo que limita la capacidad de salida negativa.
La eficiencia de este tipo de circuito es muy baja (menos del 30%) y ofrece pequeñas salidas de potencia para un gran consumo de la fuente de alimentación de CC. Una etapa de amplificador de Clase A pasa la misma corriente de carga incluso cuando no se aplica una señal de entrada, por lo que se necesitan grandes disipadores de calor para los transistores de salida.
Sin embargo, otra forma sencilla de aumentar la capacidad de manejo de corriente del circuito mientras que al mismo tiempo obtener una mayor ganancia de potencia es reemplazar el transistor de salida única con un transistor Darlington . Estos tipos de dispositivos son básicamente dos transistores dentro de un solo paquete, un pequeño transistor "piloto" y otro transistor de "conmutación" más grande. La gran ventaja de estos dispositivos es que la impedancia de entrada es adecuadamente grande, mientras que la impedancia de salida es relativamente baja, lo que reduce la pérdida de potencia y, por lo tanto, el calor dentro del dispositivo de conmutación.
Configuraciones de transistores Darlington
La ganancia de corriente general Beta (β) o el valor de hfe de un dispositivo Darlington es el producto de las dos ganancias individuales de los transistores multiplicados entre sí, y valores β muy altos junto con altas corrientes de colector son posibles en comparación con un solo circuito de transistor.
Para mejorar la eficiencia de potencia total del amplificador de Clase A , es posible diseñar el circuito con un transformador conectado directamente en el circuito del colector para formar un circuito llamado amplificador acoplado por transformador . El transformador mejora la eficiencia del amplificador al hacer coincidir la impedancia de la carga con la de la salida de los amplificadores utilizando la relación de giros ( n ) del transformador y a continuación se muestra un ejemplo de esto.
Circuito amplificador acoplado por transformador
A medida que la corriente del colector, Ic se reduce por debajo del punto Q inactivo establecido por el voltaje de polarización de la base, debido a las variaciones en la corriente de la base, el flujo magnético en el núcleo del transformador se colapsa, lo que provoca una fem inducida en los devanados primarios del transformador. Esto hace que el voltaje del colector instantáneo aumente a un valor del doble del voltaje de suministro 2Vcc, lo que da una corriente máxima del colector del doble Ic cuando el voltaje del colector está en su mínimo. Luego, la eficiencia de este tipo de configuración de amplificador de Clase A se puede calcular de la siguiente manera.
El voltaje del colector rms se da como:
La corriente del colector rms se da como:
La potencia rms entregada a la carga (Pac) por lo tanto se da como:
La potencia promedio extraída de la fuente (Pdc) viene dada por:
y por lo tanto, la eficiencia de un amplificador de Clase A acoplado por transformador se da como:
Un transformador de salida mejora la eficiencia del amplificador al hacer coincidir la impedancia de la carga con la de la impedancia de salida del amplificador. Al utilizar un transformador de salida o señal con una relación de giros adecuada, es posible obtener eficiencias de amplificador de clase A que alcanzan el 40%, siendo la mayoría de los amplificadores de potencia del tipo Clase A disponibles en el mercado.
Sin embargo, el transformador es un dispositivo inductivo debido a sus devanados y núcleo, por lo que es mejor evitar el uso de componentes inductivos en los circuitos de conmutación del amplificador, ya que cualquier df posterior generada puede dañar el transistor sin la protección adecuada.
También otra gran desventaja de este tipo de circuito amplificador de clase A acoplado por transformador es el costo y tamaño adicionales del transformador de audio requerido.
El tipo de "Clase" o clasificación que se le da a un amplificador realmente depende del ángulo de conducción, la porción de 360 ° del ciclo de la forma de onda de entrada, en la cual el transistor está conduciendo. En el amplificador de Clase A el ángulo de conducción es un completo 360 o o 100% de la señal de entrada, mientras que en otras clases de amplificadores el transistor conduce durante un ángulo de conducción menor.
Es posible obtener una mayor potencia de salida y eficiencia que la del amplificador de Clase A mediante el uso de dos transistores complementarios en la etapa de salida, con un transistor que es del tipo NPN o de canal N, mientras que el otro es un canal PNP o P (el complemento) tipo conectado en lo que se denomina una configuración "push-pull".
Este tipo de configuración de amplificador de potencia generalmente se denomina amplificador de Clase B y es otro tipo de circuito amplificador de audio que veremos en el siguiente tutorial.
