Para mejorar la eficiencia de la potencia total del amplificador de clase A anterior reduciendo la potencia desperdiciada en forma de calor, es posible diseñar el circuito amplificador de potencia con dos transistores en su etapa de salida produciendo lo que se denomina comúnmente como amplificador de clase B también conocido como configuración de amplificador push-pull.
Los amplificadores «push-pull» utilizan dos transistores «complementarios» o que coinciden, siendo uno de tipo NPN y el otro de tipo PNP, con ambos transistores de potencia recibiendo juntos la misma señal de entrada que es igual en magnitud, pero en fase opuesta entre sí. Esto hace que un transistor sólo amplifique una mitad o 180o del ciclo de la onda de entrada mientras que el otro transistor amplifica la otra mitad o los 180o restantes del ciclo de la onda de entrada con las «dos mitades» resultantes que se vuelven a juntar en el terminal de salida.
Entonces el ángulo de conducción para este tipo de circuito amplificador es sólo de 180o o el 50% de la señal de entrada. Este efecto de empuje y arrastre de los semicírculos alternados por los transistores da a este tipo de circuito su divertido nombre de «push-pull», pero se conocen más generalmente como Amplificador de Clase B como se muestra a continuación.
Circuito Amplificador de Transformador Push-pull Clase B
El circuito de arriba muestra un circuito amplificador de Clase B estándar que utiliza un transformador de entrada equilibrado de toma central, que divide la señal de onda entrante en dos mitades iguales y que están 180o fuera de fase entre sí. En la salida se utiliza otro transformador con toma central para recombinar las dos señales y proporcionar el aumento de potencia a la carga. Los transistores utilizados para este tipo de circuito amplificador push-pull con transformador son ambos transistores NPN con sus terminales de emisor conectados juntos.
Aquí, la corriente de carga se comparte entre los dos dispositivos transistores de potencia ya que disminuye en un dispositivo y aumenta en el otro a lo largo del ciclo de la señal reduciendo la tensión y la corriente de salida a cero. El resultado es que ambas mitades de la forma de onda de salida oscilan ahora desde cero hasta el doble de 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 lleva la corriente de colector de reposo normal, cuyo valor está determinado por la polarización de base que está 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 a través del secundario del transformador driver T1, las entradas de la base del transistor están en «anti-fase» entre sí como se muestra, por lo tanto si la base de TR1 va positiva llevando al transistor a una conducción pesada, su corriente de colector aumentará pero al mismo tiempo la corriente de base de TR2 irá negativa más hacia 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, dando lugar a este efecto push-pull.
A diferencia de la condición de CC, estas corrientes alternas son ADITIVAS dando lugar a 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 una polarización DC cero, ya que los transistores están polarizados en el corte, por lo que cada transistor sólo conduce cuando la señal de entrada es mayor que la tensión Base-emisor. Por lo tanto, en la entrada cero hay salida cero y no se consume energía. Esto significa entonces que el punto Q real de un amplificador de clase B está en la parte Vce de la línea de carga, como se muestra a continuación.
Curvas de características de salida de clase B
El amplificador de clase B tiene la gran ventaja sobre sus primos de clase A de que no fluye corriente a través de los transistores cuando están en su estado de reposo (es decir, sin señal de entrada), por lo que no se disipa energía en los transistores de salida o en el transformador cuando no hay señal presente, a diferencia de las etapas de amplificación de Clase A que requieren una polarización de base significativa, disipando así mucho calor, incluso sin señal de entrada presente.
Así que la eficiencia de conversión global ( η ) del amplificador es mayor que la de la Clase A equivalente con eficiencias que alcanzan hasta el 70% posible dando lugar a casi todos los tipos modernos de amplificadores push-pull operados en este modo de Clase B.
Amplificador Push-Pull de Clase B sin transformador
Una de las principales desventajas del circuito amplificador de Clase B anterior es que utiliza transformadores equilibrados de punta central en su diseño, lo que hace que sea caro de construir. 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, es sin transformador utilizando en su lugar pares complementarios o de coincidencia de los transistores de potencia.
Como los transformadores no son necesarios esto hace que el circuito amplificador sea mucho más pequeño para la misma cantidad de salida, también no hay efectos magnéticos parásitos o distorsión del transformador para afectar a la calidad de la señal de salida. A continuación se muestra un ejemplo de un circuito amplificador de clase B «sin transformador».
Etapa de salida de Clase B sin transformador
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 mayor que los de Clase A, una de las principales desventajas de los amplificadores push-pull de clase B es que sufren un efecto conocido comúnmente como distorsión de cruce.
Esperemos recordar 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 puro, los transistores de salida no están «prebiados» a un estado de funcionamiento «ON».
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 están cambiando de un transistor a otro), los transistores no se detienen o comienzan a conducir exactamente en el punto de cruce de 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 ponen en «OFF» exactamente al mismo tiempo.
Una forma sencilla de eliminar la distorsión de cruce en un amplificador de clase B es añadir dos pequeñas fuentes de tensión al circuito para polarizar ambos transistores en un punto ligeramente superior a su punto de corte. Esto nos daría lo que comúnmente se llama un circuito amplificador de clase AB. Sin embargo, no es práctico añadir fuentes de tensión 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
Sabemos que necesitamos que la tensión base-emisor sea superior a 0,7v para que un transistor bipolar de silicio comience a conducir, por lo que si sustituyéramos las dos resistencias de polarización del divisor de tensión conectadas a los terminales de la base de los transistores por dos diodos de silicio. La tensión de polarización aplicada a los transistores sería ahora igual a la caída de tensión de avance de estos diodos. Estos dos diodos se denominan generalmente diodos de polarización o diodos de compensación y se eligen para que coincidan con las características de los transistores correspondientes. El circuito siguiente muestra la polarización de los diodos.
Amplificador Clase AB
El circuito del Amplificador Clase AB es un compromiso entre las configuraciones Clase A y Clase B. Esta tensión de polarización de diodo muy pequeña hace que ambos transistores conduzcan ligeramente incluso cuando no hay señal de entrada. 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 en «ON» durante más de medio ciclo de la forma de onda, pero mucho menos que un ciclo completo, dando un ángulo de conducción de entre 180o y 360o o del 50% al 100% de la señal de entrada, dependiendo de la cantidad de polarización adicional utilizada. La cantidad de tensión de polarización de diodo presente en el terminal de base del transistor puede aumentarse en múltiplos añadiendo 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 utilizar pares de transistores Darlington en lugar de transistores individuales en su circuito de salida.
En el próximo tutorial sobre amplificadores veremos con más detalle los efectos de la Distorsión de Cruce en los circuitos de amplificación de Clase B y las formas de reducir su efecto.
