Amplificador de clase B

El amplificador de clase B utiliza dos o más transistores polarizados de tal manera que cada transistor solo conduce durante un medio ciclo de la forma de onda de entrada.

Para mejorar la eficiencia de potencia total del amplificador de clase A anterior reduciendo la potencia desperdiciada en el forma de calor, es posible diseñar el circuito del amplificador de potencia con dos transistores en su etapa de salida produciendo lo que comúnmente se denomina amplificador de clase B, también conocido como amplificador push-pull.

Los amplificadores push-pull utilizan dos transistores «complementarios» o coincidentes, uno de tipo NPN y el otro de tipo PNP con ambos transistores de potencia que reciben la misma señal de entrada juntos que es igual en magnitud, pero en fase opuesta entre sí. Este resultado en un transistor solamente amplifica la mitad o 180° del ciclo de forma de onda de entrada mientras que el otro transistor amplifica la otra mitad o restante 180° del ciclo de forma de onda de entrada con las resultantes de “dos mitades” de ser puesto de nuevo juntos de nuevo en la salida del terminal.

Entonces, el ángulo de conducción para este tipo de circuito amplificador es solo 180° o 50% de la señal de entrada. Este efecto de empujar y tirar de los semiciclos alternos de los transistores le da a este tipo de circuito su divertido nombre de “empujar-tirar”, pero se conocen más generalmente como el amplificador de clase B, como se muestra a continuación:

Circuito amplificador de transformador push-pull de clase B

class b amplifier circuit- Amplificador de clase B - ClasesParaTodos.org

El circuito de arriba muestra un circuito amplificador estándar de clase B que utiliza un transformador de entrada balanceado con toma central, que divide la señal de forma de onda entrante en dos mitades iguales y que están 180° desfasadas entre sí. Otro transformador con toma central en la salida se utiliza para recombinar las dos señales que proporcionan el aumento de potencia a la carga. Los transistores utilizados para este tipo de circuito amplificador push-pull «empujar-tirar» de transformador son ambos transistores NPN con sus terminales emisores conectados entre sí.

Aquí, la corriente de carga se comparte entre los dos dispositivos de transistor de potencia, ya que disminuye en un dispositivo y aumenta en el otro a lo largo del ciclo de señal, reduciendo el voltaje y la corriente de salida a cero. El resultado es que ambas mitades de la forma de onda de salida ahora oscilan de cero a dos veces la corriente de reposo, reduciendo así la disipación. Esto tiene el efecto de casi duplicar la eficiencia del amplificador a alrededor del 70%.

Suponiendo que no hay señal de entrada, entonces cada transistor transporta la corriente de colector en reposo normal, cuyo valor está determinado por la polarización de la base que se encuentra en el punto de corte. Si el transformador tiene una toma central precisa, entonces las dos corrientes de colector fluirán en direcciones opuestas (condición ideal) y no habrá magnetización del núcleo del transformador, minimizando así la posibilidad de distorsión.

Cuando una señal de entrada está presente en el secundario del transformador controlador T1, las entradas de la base del transistor están en «antifase» entre sí como se muestra, por lo tanto, si la TR1 se vuelve positiva y conduce el transistor a conducción pesada, su corriente de colector aumentará pero al mismo tiempo, la corriente de base de TR2 se volverá negativa hasta el corte y la corriente de colector de este transistor disminuye en una cantidad igual y viceversa. Por lo tanto, las mitades negativas son amplificadas por un transistor y las mitades positivas por el otro transistor, lo que genera este efecto de empujar y tirar.

A diferencia de la condición de CC, estas corrientes alternas son ADITIVAS, lo que hace que los dos semiciclos de salida se combinen para reformar la onda sinusoidal en el devanado primario de los transformadores de salida que luego aparece a través de la carga.

El funcionamiento del amplificador de clase B tiene cero polarización de CC, ya que los transistores están polarizados en el corte, por lo que cada transistor solo conduce cuando la señal de entrada es mayor que el emisor base del voltaje. Por lo tanto, en la entrada cero hay una salida cero y no se consume energía. Esto significa que el punto Q real de un amplificador de clase B está en la Vce parte de la línea de carga, como se muestra a continuación:

Características de la salida de la curva de un Clase B 

class b amplifier characteristics- Amplificador de clase B - ClasesParaTodos.org

El amplificador de clase B tiene la gran ventaja sobre la clase A, en estos no fluye corriente a través de los transistores cuando están en su estado quiescente (es decir, sin señal de entrada), por lo tanto ninguna energía se disipa en el transistores de salida o transformador cuando no hay señal presente, a diferencia de las etapas de amplificador de Clase A que requieren un sesgo de base significativo, lo que disipa mucho calor, incluso sin señal de entrada presente.

Por lo tanto, la eficiencia de conversión general ( η ) del amplificador es mayor que la de la Clase A equivalente con eficiencias que alcanzan el 70% posible, lo que da como resultado que casi todos los tipos modernos de amplificadores push-pull funcionan en este modo de Clase B.

Amplificador push-pull de clase B sin transformador

class-B amplifier output stage- Amplificador de clase B - ClasesParaTodos.org

Una de las principales desventajas del circuito amplificador de clase B anterior es que utiliza transformadores balanceados con derivación central en su diseño, lo que hace que su construcción sea costosa. Sin embargo, hay otro tipo de amplificador de clase B llamado amplificador de clase B de simetría complementaria que no utiliza transformadores en su diseño, por lo tanto, no utiliza transformadores, sino que utiliza pares de transistores de potencia complementarios o coincidentes.

Como no se necesitan transformadores, esto hace que el circuito del amplificador sea mucho más pequeño para la misma cantidad de salida, además no hay efectos magnéticos parásitos o distorsión del transformador que afecten la calidad de la señal de salida. A continuación se ofrece un ejemplo de un circuito amplificador de Clase B «sin transformador».

Etapa de salida sin transformador de clase B

El circuito amplificador de clase B anterior utiliza transistores complementarios para cada mitad de la forma de onda y, aunque los amplificadores de clase B tienen una ganancia mucho más alta que los tipos de clase A, una de las principales desventajas de los amplificadores push-pull de clase B es que sufren de un efecto conocido comúnmente como distorsión cruzada.

Con suerte, recordamos de nuestros tutoriales sobre transistores que se necesitan aproximadamente 0,7 voltios (medidos desde la base al emisor) para que un transistor bipolar comience a conducir. En un amplificador de clase B pura, los transistores de salida no están «predispuestos» a un estado de funcionamiento «ENCENDIDO».

Esto significa que la parte de la forma de onda de salida que cae por debajo de esta ventana de 0,7 voltios no se reproducirá con precisión como la transición entre los dos transistores (cuando cambian de un transistor a otro), los transistores no se detienen ni comienzan a conducir exactamente en el punto de cruce cero incluso si son pares especialmente emparejados.

Los transistores de salida para cada mitad de la forma de onda (positiva y negativa) tendrán cada uno un área de 0,7 voltios en la que no están conduciendo. El resultado es que ambos transistores se apagan exactamente al mismo tiempo.

Una forma sencilla de eliminar la distorsión de cruce en un amplificador de clase B es agregar dos pequeñas fuentes de voltaje al circuito para polarizar ambos transistores en un punto ligeramente por encima de su punto de corte. Esto entonces nos daría lo que comúnmente se llama un circuito amplificador de clase AB. Sin embargo, no es práctico agregar fuentes de voltaje adicionales al circuito amplificador, por lo que se utilizan uniones PN para proporcionar la polarización adicional en forma de diodos de silicio.

El amplificador de clase AB

Class AB Transformerless Output Stage- Amplificador de clase B - ClasesParaTodos.org

Sabemos que necesitamos que la base-emisor del voltaje sea ​​mayor que 0.7v para que un transistor bipolar de silicio comience a conducir, por lo que si reemplazamos las dos resistencias de polarización del divisor de voltaje conectadas a los terminales de la base de los transistores con dos diodos de silicio. El voltaje de polarización aplicado a los transistores ahora sería igual a la caída de voltaje directo de estos diodos. Estos dos diodos generalmente se denomina polarización de diodos o diodos de compensación y se eligen para que coincidan con las características de los transistores correspondientes. El circuito a continuación muestra la polarización de diodos:

Amplificador Clase AB 

El circuito de un amplificador de clase AB es un compromiso entre la clase A y de las configuraciones de la clase B. Este voltaje de polarización del diodo muy pequeño hace que ambos transistores conduzcan ligeramente incluso cuando no hay señal de entrada presente. Una forma de onda de señal de entrada hará que los transistores funcionen normalmente en su región activa, eliminando así cualquier distorsión de cruce presente en los diseños de amplificadores de Clase B puros.

Una pequeña corriente de colector fluirá cuando no haya señal de entrada, pero es mucho menor que la de la configuración de amplificador de Clase A. Esto significa que el transistor estará «ENCENDIDO» durante más de la mitad de un ciclo de la forma de onda, pero mucho menos que un ciclo completo, dando un ángulo de conducción de entre 180° a 360° o 50% a 100% de la señal de entrada dependiendo de la cantidad de sesgo adicional utilizado. La cantidad de voltaje de polarización de diodos presente en el terminal base del transistor se puede aumentar en múltiplos agregando diodos adicionales en serie.

Los amplificadores de clase B se prefieren en gran medida a los diseños de clase A para aplicaciones de alta potencia, como amplificadores de potencia de audio y sistemas de megafonía. Al igual que el circuito amplificador de clase A, una forma de aumentar en gran medida la ganancia de corriente ( Ai ) de un amplificador push-pull de clase B es usar pares de transistores Darlington en lugar de transistores individuales en su circuito de salida.

En el próximo tutorial sobre amplificadores, veremos más de cerca los efectos de la distorsión de cruce en los circuitos de amplificador de clase B y las formas de reducir su efecto.

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