Amplificador de clase A

Los amplificadores de emisor común (CE) están diseñados para producir una gran oscilación de voltaje de salida a partir de un voltaje de señal de entrada relativamente pequeño de solo unos pocos milivoltios y se utilizan principalmente como “pequeños amplificadores de señal” como vimos en los tutoriales anteriores.

Sin embargo, a veces se requiere un amplificador para impulsar grandes cargas resistivas, como un altavoz o para impulsar 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 potencia, que es el producto del voltaje y la corriente a la carga. Básicamente, un amplificador de potencia es también un amplificador de voltaje, con la diferencia de que la resistencia de carga conectada a la salida es relativamente baja, por ejemplo, un altavoz de 4 Ω u 8 Ω, lo que genera altas corrientes que fluyen a través del colector del transistor.

Debido a estas altas corrientes de carga, los transistores de salida utilizados para las etapas de salida del amplificador de potencia, como el 2N3055, deben tener valores nominales de voltaje y potencia más altos que los generales utilizados para amplificadores de señal pequeña como el BC107.

Dado que estamos interesados ​​en entregar la máxima potencia de CA a la carga, mientras consumimos la mínima potencia de CC posible de la fuente, lo que más nos preocupa es la «eficiencia de conversión» del amplificador.

Sin embargo, una de las principales desventajas de los amplificadores de potencia y especialmente del 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. La eficiencia porcentual en los amplificadores se define como la potencia de salida rms disipada en la carga dividida por la potencia de CC total tomada de la fuente de alimentación, como se muestra a continuación:

Eficiencia del amplificador de potencia

• Donde:
• η%  – es la eficiencia del amplificador.
• Pout  : es la potencia de salida del amplificador entregada a la carga.
• Pdc  : es la potencia de CC extraída de la fuente.

Para un amplificador de potencia, es muy importante que la fuente de alimentación del amplificador esté bien diseñada para proporcionar la máxima potencia continua disponible a la señal de salida.

Amplificador de clase A

El tipo más comúnmente utilizado de la 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 utiliza un solo transistor de conmutación en la configuración de circuito de emisor común estándar 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 una amplitud máxima de la señal de salida.

Esto significa que la configuración del amplificador de clase A es del modo de funcionamiento ideal, porque no puede haber ninguna distorsión de corte o desconexión en la forma de onda de salida, incluso durante la mitad negativa del ciclo. Las etapas de salida del amplificador de potencia de Clase A pueden utilizar un solo transistor de potencia o pares de transistores conectados entre sí para compartir la corriente de carga alta. Considere el circuito de amplificador de Clase A a continuación:

Circuito amplificador de una etapa simple

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 enciende, hunde la corriente de salida a través del colector, lo que produce una caída de voltaje inevitable a través de 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 en la fuente de alimentación de CC. Una etapa de amplificador de Clase A pasa la misma corriente de carga incluso cuando no se aplica ninguna señal de entrada, por lo que se necesitan disipadores de calor grandes para los transistores de salida.

Sin embargo, otra forma sencilla de aumentar la capacidad de manejo de corriente del circuito y 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 suficientemente 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 del transistor Darlington

La ganancia de corriente total Beta (β) o hfe, del valor de un dispositivo Darlington es el producto de las dos ganancias individuales de los transistores multiplicadas juntas y muy altos β son valores posibles junto con altas corrientes de colector en comparación con un solo circuito de transistor.

Para mejorar la eficiencia de potencia total del amplificador Clase A , es posible diseñar el circuito con un transformador conectado directamente en el circuito 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 del amplificador utilizando la relación de espiras ( n ) del transformador y a continuación se da un ejemplo de esto:

Circuito amplificador acoplado a transformador

A medida que la corriente del colector, Ic se reduce por debajo del punto Q de reposo 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 colapsa provocando una fem inducida en los devanados primarios del transformador. Esto hace que un voltaje de colector instantáneo se eleve a un valor de dos veces el voltaje de suministro 2Vcc dando una corriente de colector máxima de dos veces Ic cuando el voltaje de colector está en su mínimo. Entonces, la eficiencia de este tipo de configuración de amplificador de Clase A se puede calcular de la siguiente manera:

El voltaje rms del colector se da como:

La corriente rms del colector se da como:

La potencia rms entregada a la carga (Pac) se da como:

La potencia promedio extraída de la fuente (Pdc) está dada por:

Y por lo tanto la eficiencia de un amplificador Clase A acoplado a transformador se da como:

Un transformador de salida mejora la eficiencia del amplificador al hacer coincidir la impedancia de la carga con la impedancia de salida del amplificador. Mediante el uso de un transformador de salida o de señal con una relación de espiras adecuada, es posible lograr eficiencias de amplificador de clase A que alcanzan el 40%, siendo la mayoría de los amplificadores de potencia de tipo Clase A disponibles comercialmente de este tipo de configuración.

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 fem posterior generada puede dañar el transistor sin la protección adecuada.

También otra gran desventaja de este tipo de circuito del amplificador de clase A acoplado por transformador es el costo adicional y el tamaño 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 los 360° del ciclo de forma de onda de entrada, en la que el transistor está conduciendo. En el amplificador de clase A, el ángulo de conducción es un total de 360° o el 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 Clase A utilizando dos transistores complementarios en la etapa de salida, siendo un transistor un tipo NPN o canal N mientras que el otro transistor es un canal PNP o P (el complemento) tipo conectado en lo que se llama 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 próximo tutorial.