Amplificador de clase B (push-pull)

En este vamos a detenernos para estudiar la clase B y los amplificadores push-pull (en castellano tira-afloja) que operan en esta clase.

Los amplificadores que hemos visto hasta ahora operan en la clase A, la cual tiene una serie de ventajas como la facilidad del diseño y un funcionamiento mas estable. Sin embargo en clase A el transistor está funcionando todo el tiempo, mientras que en clase B hay dos transistores opuestos (cuando trabaja uno, el otro no y viceversa) que solo funcionan cada uno durante 180 grados, es decir, la mitad del tiempo. De esta forma, cada transistor disipa menos potencia en forma de calor, ya que se reparten el trabajo entre los dos.

Además, como veremos después; en clase B el punto de trabajo “Q” está cerca del corte del transistor, con lo cual ahorramos energía (en un clase A haría falta mas corriente para centrar dicho punto en la zona lineal de las curvas de colector-emisor).

Con todo esto conseguimos mayor potencia y un ahorro energético.

Empezamos. En clase B se usan en la salida dos transistores que funcionan cada uno en la mitad de cada ciclo, como hemos comentado ya antes. Las recta de carga es perpendicular (color verde), es decir, el corte es la tensión de alimentación, mientras que la corriente de saturación es infinita. Esto es en la recta de carga de corriente continua.

200217_1

Es posible, que con un mal diseño, se presente lo que conocemos como distorsión de cruce. Esto se ve en la salida y se muestra en la siguiente imagen:

200217_2

Esta distorsión, se evita dejando el punto Q de cada transistor no en el corte, sino en la recta de carga de alterna un poco hacia arriba. Lo que se hace con esto es que cada transistor funcione un poquito en el otro lado, dejando una pequeña corriente de emisor para evitar este problema. Yo en el diseño que voy a hacer, dejaré 1o mA (ajustados con R4).

Voy a mostrar el esquema, explicando lo que hace cada componente y luego los calcularemos para terminar con la simulación propiamente dicha.

Este es el esquema:

200217_3

La etapa final esta formada por dos transistores complementarios: Uno es NPN mientras que el otro es PNP. Si se quiere utilizar dos NPN, habría que utilizar un transformador con toma media. Esto se hacia antiguamente, pero ya no debido al volumen y precio del transformador.

La misma señal se aplica a ambos transistores, al ser uno NPN y otro PNP, cuando uno conduzca el otro estará en corte y viceversa.

El transistor Q3 es una fuente de corriente que fija la corriente (ajustándola con el potenciómetro que sería R4) que pasa por los diodos, que forman un espejo de corriente junto con los finales. La corriente que pase por ellos será la misma que pase por los transistores finales. Lo ideal sería usar el mismo transistor semiconductor que el de los finales y que estuviera en la misma oblea, pero en este diseño utilizaremos diodos de pequeña señal 1n4148.

La ganancia conjunta del circuito es la siguiente:

Av=\frac{R2}{R1}

Empecemos con el diseño:

La tensión de alimentación es de 30 voltios. Y la salida en el punto media de los transistores (en los emisores) debería ser de 15 voltios en reposo. Esto hace que la tensión en R2 sea de 30 – (15 + 0.7) = 14.3 voltios.

La corriente la fijaremos en 10 mili amperios (para evitar la distorsión de cruce). Podría ser mas, pero creo que con este valor es suficiente. R2 sera entonces:

R2=\frac{14.3}{10 \ mA}=1430 \ ohmios

Supongamos que queremos una ganancia de 20 veces. La ganancia es el cociente de R2 entre R1. Tenemos pues que R1 será de 71.5 ohmios.

Ya solo falta elegir el valor de R4 y R5. Elegiremos un valor alto para R5, ya que la tensión de alimentación es alta y no es necesario desperdiciar demasiada corriente (podría ser también por ejemplo de 10k). R4 sera un valor que se ajustará en el circuito real (con un potenciómetro).

Procedamos con la simulación. En la gráfica siguiente, aparecen la entrada y la salida (análisis del transitorio):

200217_4
Salida y entrada del amplificador

La ganancia “real” es un pelín menos que la teórica, pero habría que tener en cuenta la r’e (impedancia de emisor), un valor que habría que añadir a R1. Esto provocaría que el cociente de R2 y R1 sea menor.

En próximos artículos seguiremos hablando de este tipo de amplificadores.

REFERENCIAS:

PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA, MALVINO.

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