Per migliorare l’efficienza di piena potenza del precedente amplificatore di classe A, riducendo la potenza sprecata sotto forma di calore, è possibile progettare il circuito amplificatore di potenza con due transistor nel suo stadio di uscita producendo ciò che è comunemente definito come un amplificatore di classe B noto anche come una configurazione amplificatore push-pull.
Gli amplificatori push-pull usano due transistor “complementari” o corrispondenti, uno di tipo NPN e l’altro di tipo PNP, con entrambi i transistor di potenza che ricevono insieme lo stesso segnale d’ingresso che è uguale in grandezza, ma in fase opposta l’uno all’altro. Questo si traduce in un transistor che amplifica solo una metà o 180o del ciclo della forma d’onda d’ingresso mentre l’altro transistor amplifica l’altra metà o i restanti 180o del ciclo della forma d’onda d’ingresso con le “due metà” risultanti che vengono rimesse insieme al terminale d’uscita.
Quindi l’angolo di conduzione per questo tipo di circuito amplificatore è solo 180o o 50% del segnale d’ingresso. Questo effetto di spinta e trazione dei semicicli alternati da parte dei transistor dà a questo tipo di circuito il suo divertente nome “push-pull”, ma sono più generalmente conosciuti come amplificatore di classe B come mostrato di seguito.
Circuito amplificatore con trasformatore push-pull di classe B
Il circuito qui sopra mostra un circuito standard di amplificatore di classe B che utilizza un trasformatore bilanciato con punta centrale in ingresso, che divide il segnale della forma d’onda in entrata in due metà uguali e che sono 180o fuori fase tra loro. Un altro trasformatore di uscita a centro corsa viene utilizzato per ricombinare i due segnali fornendo una maggiore potenza al carico. I transistor utilizzati per questo tipo di circuito amplificatore push-pull con trasformatore sono entrambi transistor NPN con i loro terminali di emettitore collegati insieme.
Qui, la corrente di carico è condivisa tra i due dispositivi a transistor di potenza in quanto diminuisce in un dispositivo e aumenta nell’altro durante il ciclo del segnale riducendo la tensione di uscita e la corrente a zero. Il risultato è che entrambe le metà della forma d’onda di uscita ora oscillano da zero al doppio della corrente di riposo, riducendo così la dissipazione. Questo ha l’effetto di quasi raddoppiare l’efficienza dell’amplificatore a circa il 70%.
Assumendo che nessun segnale di ingresso sia presente, allora ogni transistor porta la normale corrente di riposo del collettore, il cui valore è determinato dal bias di base che è al punto di taglio. Se il trasformatore è accuratamente centrato, allora le due correnti di collettore scorreranno in direzioni opposte (condizione ideale) e non ci sarà magnetizzazione del nucleo del trasformatore, minimizzando così la possibilità di distorsione.
Quando un segnale d’ingresso è presente attraverso il secondario del trasformatore driver T1, gli ingressi delle basi dei transistor sono in “antifase” tra loro come mostrato, quindi se la base di TR1 va in positivo portando il transistor in conduzione pesante, la sua corrente di collettore aumenterà ma allo stesso tempo la corrente di base di TR2 andrà in negativo andando ulteriormente in cut-off e la corrente di collettore di questo transistor diminuisce di una quantità uguale e viceversa. Quindi le metà negative sono amplificate da un transistor e le metà positive dall’altro transistor dando questo effetto push-pull.
A differenza della condizione DC, queste correnti alternate sono ADDITIVE con il risultato che i due semicicicli di uscita sono combinati per riformare l’onda sinusoidale nell’avvolgimento primario del trasformatore di uscita che poi appare attraverso il carico.
Il funzionamento dell’amplificatore di classe B ha zero polarizzazione DC, poiché i transistor sono polarizzati al cut-off, quindi ogni transistor conduce solo quando il segnale d’ingresso è maggiore della tensione base-emettitore. Pertanto, a ingresso zero c’è uscita zero e non viene consumata energia. Questo significa che il punto Q reale di un amplificatore di classe B è sulla parte Vce della linea di carico, come mostrato di seguito.
Curve delle caratteristiche di uscita di Classe B
L’amplificatore di Classe B ha il grande vantaggio rispetto ai cugini amplificatori di Classe A che nessuna corrente scorre attraverso i transistor quando sono nel loro stato di quiescenza (es, senza segnale d’ingresso), quindi nessuna potenza viene dissipata nei transistor di uscita o nel trasformatore quando non c’è nessun segnale presente a differenza degli stadi di amplificazione di classe A che richiedono una significativa polarizzazione di base, dissipando così molto calore – anche senza segnale d’ingresso presente.
Così l’efficienza complessiva di conversione ( η ) dell’amplificatore è maggiore di quella dell’equivalente Classe A con efficienze che raggiungono il 70% possibile con il risultato di quasi tutti i moderni tipi di amplificatori push-pull operati in questa modalità di Classe B.
Amplificatore Push-Pull di Classe B senza trasformatore
Uno dei principali svantaggi del circuito di amplificatore di Classe B di cui sopra è che utilizza trasformatori bilanciati con punte centrali nella sua progettazione, rendendolo costoso da costruire. Tuttavia, c’è un altro tipo di amplificatore di classe B chiamato un amplificatore di classe B a simmetria complementare che non utilizza trasformatori nel suo design, quindi, è senza trasformatore utilizzando invece coppie complementari o corrispondenti di transistor di potenza.
Come trasformatori non sono necessari questo rende il circuito amplificatore molto più piccolo per la stessa quantità di uscita, inoltre non ci sono effetti magnetici parassiti o distorsione del trasformatore per influenzare la qualità del segnale di uscita. Un esempio di un circuito amplificatore di classe B “senza trasformatore” è dato qui sotto.
Stadio di uscita senza trasformatore in Classe B
Il circuito di amplificazione in Classe B di cui sopra utilizza transistor complementari per ogni metà della forma d’onda e mentre gli amplificatori in Classe B hanno un guadagno molto più alto rispetto ai tipi in Classe A, uno dei principali svantaggi degli amplificatori push-pull di classe B è che soffrono di un effetto noto comunemente come distorsione di crossover.
Speriamo di ricordare dai nostri tutorial sui transistor che ci vogliono circa 0,7 volt (misurati dalla base all’emettitore) per far sì che un transistor bipolare inizi a condurre. In un amplificatore di pura classe B, i transistor di uscita non sono “pre-biased” ad uno stato di funzionamento “ON”.
Questo significa che la parte della forma d’onda di uscita che cade sotto questa finestra di 0..7 volt non sarà riprodotta accuratamente come la transizione tra i due transistor (quando stanno passando da un transistor all’altro), i transistor non si fermano o iniziano a condurre esattamente nel punto di incrocio dello zero anche se sono coppie appositamente abbinate.
I transistor di uscita per ogni metà della forma d’onda (positiva e negativa) avranno ciascuno un’area di 0,7 volt in cui non stanno conducendo. Il risultato è che entrambi i transistor sono spenti esattamente nello stesso momento.
Un modo semplice per eliminare la distorsione da crossover in un amplificatore di classe B è aggiungere due piccole fonti di tensione al circuito per polarizzare entrambi i transistor in un punto leggermente al di sopra del loro punto di taglio. Questo ci darebbe quello che viene comunemente chiamato un circuito amplificatore di classe AB. Tuttavia, non è pratico aggiungere ulteriori sorgenti di tensione al circuito amplificatore così PN-giunzioni sono utilizzati per fornire la polarizzazione aggiuntiva sotto forma di diodi di silicio.
L’amplificatore di classe AB
Sappiamo che abbiamo bisogno che la tensione base-emettitore sia maggiore di 0,7v per un transistor bipolare al silicio per iniziare a condurre, quindi se dovessimo sostituire le due resistenze di polarizzazione del divisore di tensione collegato ai terminali di base dei transistor con due diodi al silicio. La tensione di polarizzazione applicata ai transistor sarebbe ora uguale alla caduta di tensione in avanti di questi diodi. Questi due diodi sono generalmente chiamati diodi di biasing o diodi di compensazione e sono scelti per corrispondere alle caratteristiche dei transistor corrispondenti. Il circuito qui sotto mostra la polarizzazione dei diodi.
Amplificatore di Classe AB
Il circuito dell’amplificatore di Classe AB è un compromesso tra la configurazione di Classe A e quella di Classe B. Questa tensione di polarizzazione del diodo molto piccola fa sì che entrambi i transistor conducano leggermente anche quando non c’è alcun segnale d’ingresso. Una forma d’onda del segnale d’ingresso farà sì che i transistor operino normalmente nella loro regione attiva, eliminando così qualsiasi distorsione di crossover presente nei progetti di amplificatori di pura Classe B.
Una piccola corrente di collettore scorrerà quando non c’è alcun segnale d’ingresso, ma è molto inferiore a quella per la configurazione dell’amplificatore di Classe A. Questo significa quindi che il transistor sarà “ON” per più di mezzo ciclo della forma d’onda ma molto meno di un ciclo completo, dando un angolo di conduzione tra 180o e 360o o dal 50% al 100% del segnale d’ingresso, a seconda della quantità di polarizzazione aggiuntiva utilizzata. La quantità di tensione di polarizzazione del diodo presente al terminale di base del transistor può essere aumentata in multipli aggiungendo diodi aggiuntivi in serie.
Gli amplificatori di classe B sono molto preferiti rispetto ai progetti di classe A per applicazioni ad alta potenza come amplificatori di potenza audio e sistemi PA. Come il circuito dell’amplificatore di classe A, un modo per aumentare notevolmente il guadagno di corrente ( Ai ) di un amplificatore push-pull di classe B è quello di utilizzare coppie di transistor Darlington invece di transistor singoli nel suo circuito di uscita.
Nel prossimo tutorial sugli amplificatori esamineremo più da vicino gli effetti della distorsione di crossover nei circuiti degli amplificatori in classe B e i modi per ridurre il suo effetto.
