Amplificadores de potencia
La última etapa, la que mueve el parlante. Acá ya no interesa la ganancia de tensión sino los watt entregados, el rendimiento y el calor: un amplificador de potencia mal diseñado no suena mal, se quema.
01Qué cambia respecto de la señal débil
En un amplificador de pequeña señal, la excursión es de milivolt y el transistor trabaja siempre en un tramo lineal minúsculo. En potencia, la señal recorre toda la recta de carga y aparecen tres problemas nuevos:
- Distorsión. Las curvas del transistor no son perfectamente lineales en todo el recorrido.
- Disipación. El transistor puede tener que disipar varios watt, y hace falta calcular disipadores.
- Rendimiento. Importa cuánta de la energía tomada de la fuente termina en la carga y cuánta se pierde en calor.
Todo lo que la fuente entrega y la carga no recibe se convierte en calor en los transistores. Por eso el rendimiento no es un dato de eficiencia energética nada más: determina el tamaño del disipador y si el amplificador sobrevive o no.
02Clase A
El transistor conduce durante los 360° del ciclo: nunca se corta. El punto Q está en el medio de la recta de carga.
- La señal nunca abandona la zona activa: mínima distorsión.
- Circuito simple, un solo transistor.
- No hay distorsión de cruce.
- Rendimiento máximo teórico: 25 % con acoplamiento RC, 50 % con transformador. En la práctica, mucho menos.
- Consume y calienta aun sin señal, porque la corriente de reposo es máxima.
- Para 1 W de audio hace falta disipar 3 W o más.
Por eso la clase A queda restringida a etapas previas (donde la potencia es despreciable) y a equipos de audio de alta gama, donde se acepta un aparato que consume 200 W para entregar 20 W a cambio de una linealidad excepcional.
03Clase B y simetría complementaria
La idea que resuelve el problema del rendimiento: usar dos transistores, uno para cada semiciclo. Cada uno conduce 180° y descansa los otros 180°. En reposo no circula corriente, así que sin señal no hay consumo.
La forma más simple de hacerlo es la simetría complementaria: un NPN para el semiciclo positivo y un PNP para el negativo, ambos en configuración de seguidor de emisor.
La disipación de un amplificador clase B no es máxima cuando suena más fuerte. Con la señal al máximo, gran parte de la energía va al parlante; con la señal a cero, no hay consumo. El peor caso está en el medio, alrededor del 63 % de la excursión máxima. Un amplificador que aguanta a todo volumen puede quemarse a volumen medio si el disipador se calculó mal.
04Distorsión de cruce y clase AB
La clase B tiene un defecto grave. Ninguno de los dos transistores conduce hasta que la señal supera los 0,7 V necesarios para vencer su VBE. En el tramo entre −0,7 V y +0,7 V la salida es cero: aparece un escalón en cada cruce por cero.
La solución es la clase AB: se prepolarizan las bases con una tensión de aproximadamente 1,4 V (dos junturas), de modo que los dos transistores queden apenas conduciendo en reposo. Cuando uno empieza a apagarse el otro ya está encendido, y la transición es continua.
| Método de prepolarización | Cómo funciona | Observación |
|---|---|---|
| Dos diodos en serie | Cada diodo aporta 0,7 V entre las bases. | Simple. Si los diodos se montan sobre el disipador, compensan la deriva térmica de los transistores. |
| Multiplicador de VBE | Un transistor con un preset entre base y colector genera una tensión ajustable de 1,2 a 2,5 V. | Es lo que usan los equipos comerciales. Permite ajustar la corriente de reposo con precisión. |
| Resistencia con preset | Divisor ajustable entre las bases. | No compensa temperatura. En desuso. |
Es la falla más peligrosa de la clase AB. Al calentarse, la VBE de los transistores baja unos 2 mV por grado, con lo que la corriente de reposo sube, y eso los calienta más todavía. El lazo se realimenta y termina con los transistores destruidos en segundos. Se evita con dos medidas, y hay que usar las dos:
- Resistencias de emisor de 0,22 a 0,47 Ω en serie con cada transistor de salida. Son la realimentación negativa que frena la corriente.
- Acoplamiento térmico de los diodos (o del transistor multiplicador de VBE) al mismo disipador que los de salida, para que sientan la misma temperatura.
05Fuente partida o fuente única
La salida en reposo está en 0 V, así que el parlante va directamente a masa.
- Sin capacitor de salida: mejor respuesta en graves.
- Más potencia con la misma tensión total.
- Necesita transformador con toma central y doble rectificación.
- Riesgo: si falla un transistor, la continua va al parlante y lo destruye. Los equipos comerciales llevan un relé de protección de salida.
La salida en reposo queda en VCC/2, así que hace falta un capacitor de salida grande (1000 a 2200 µF) para bloquear esa continua.
- Fuente de alimentación más simple y barata.
- El capacitor de salida limita la respuesta en graves y agrega distorsión.
- La potencia disponible es aproximadamente la cuarta parte que con fuente partida de la misma tensión total.
- Protege al parlante por sí mismo: el capacitor no deja pasar continua.
06Cálculo completo de una etapa de potencia
Diseñar una etapa clase AB en simetría complementaria que entregue 20 W eficaces sobre un parlante de 8 Ω, con fuente partida.
1 · Tensión de pico necesaria. De P = Vp²/(2RL):
2 · Tensión de alimentación. Hay que sumar la caída del transistor de salida y de las resistencias de emisor, más margen: ±22 V. Es decir, un transformador de 15+15 V eficaces (15 × 1,414 = 21,2 V de pico por rama).
3 · Corriente de pico. Ip = 17,9 / 8 = 2,24 A. Los transistores deben soportar al menos 3 A y una VCEO de 44 V (la tensión entre rieles). Un TIP41C/TIP42C (6 A, 100 V) cumple con holgura.
4 · Disipación por transistor. El peor caso en clase B:
Con música real y picos, se dimensiona con 4 a 5 W por transistor para tener margen.
5 · Consumo de la fuente. Con η = 70 %: Pfuente = 20 / 0,7 = 28,6 W. La fuente debe entregar al menos 1,5 A de continua por rama.
Cálculo del disipador
El calor viaja desde la juntura del transistor hasta el aire atravesando tres resistencias térmicas en serie, medidas en °C/W:
PD = 5 W, Ta = 40 °C, Tj máxima de diseño 100 °C, TIP41C con Rjc = 1,92 °C/W, montaje con mica Rcs = 0,5 °C/W.
Hace falta un disipador de 9,6 °C/W o menos: una aleta de aluminio de unos 5 × 5 cm con perfil. Cuanto menor el valor en °C/W, mejor el disipador.
07Amplificadores de potencia integrados
Salvo en alta fidelidad, hoy no se arma una etapa de potencia con transistores discretos: se usa un integrado que ya trae el push-pull, la prepolarización, la limitación de corriente y la protección térmica.
| Integrado | Potencia | Alimentación | Carga | Notas |
|---|---|---|---|---|
| LM386 | 0,5 W | 4 a 12 V | 8 Ω | DIP-8, ganancia 20 a 200. El clásico de los proyectos escolares. |
| TDA2003 | 6 W | 8 a 18 V | 4 Ω | 5 patas, para autoestéreo. Necesita disipador. |
| TDA2030 | 14 W | ±6 a ±18 V | 4 u 8 Ω | Fuente única o partida. Muy usado. |
| TDA2050 | 32 W | ±4,5 a ±25 V | 4 u 8 Ω | Requiere disipador grande. |
| TDA7297 | 2 × 15 W | 6 a 18 V | 8 Ω | Estéreo en un solo chip, con mute y stand-by. |
- Desacople de alimentación: 100 nF cerámico + 100 µF electrolítico, lo más cerca posible de las patas.
- Red de Zobel a la salida: 4,7 Ω en serie con 100 nF, a masa. Estabiliza el amplificador frente a la carga inductiva que representa un parlante a alta frecuencia. Sin ella, muchos integrados oscilan a cientos de kHz — no se oye, pero calienta y distorsiona.
- Masa en estrella: todas las masas al mismo punto físico, junto al capacitor de filtro. Es lo que evita el zumbido de 50 Hz.
08Las otras clases
| Clase | Conducción | η típico | Uso |
|---|---|---|---|
| A | 360° | 20-25 % | Etapas previas, audio de alta gama. |
| B | 180° | 70-78 % | Casi no se usa pura, por la distorsión de cruce. |
| AB | 200-220° | 50-70 % | El estándar en audio. |
| C | < 180° | > 85 % | Radiofrecuencia con circuito tanque sintonizado. Inservible para audio: distorsiona muchísimo. |
| D | conmutada | 90-95 % | Los transistores trabajan como llaves con PWM y un filtro LC reconstruye la señal. Es lo que usa todo equipo portátil moderno. |
La clase D no es «otra forma de amplificar linealmente»: es un cambio de paradigma. El transistor sólo está en corte o en saturación, donde casi no disipa (ver el transistor como llave), y la información va en el ancho de los pulsos. Se desarrolla en Electrónica Industrial, en 6° año.
09En el laboratorio
Armar una etapa complementaria sin prepolarización (clase B pura) con un TIP31/TIP32, fuente partida de ±9 V y carga de 8 Ω (o una resistencia de 10 Ω / 5 W, que no molesta a los vecinos). Con el osciloscopio se ve nítidamente el escalón en el cruce por cero. Después agregar los dos diodos entre las bases y observar cómo desaparece.
Con la carga resistiva y una senoidal de 1 kHz:
- Medir Vp sobre la carga y calcular Psalida = Vp²/(2R).
- Medir la corriente continua que toma cada rama de la fuente (amperímetro en serie) y calcular Pfuente = VCC × Itotal.
- Calcular η. Debe dar entre 50 % y 70 %.
- Repetir a volumen bajo y comprobar que el rendimiento cae.
Montaje mínimo del LM386: entrada por potenciómetro de 10 kΩ, capacitor de 250 µF a la salida, parlante de 8 Ω, red de Zobel y desacople. Con el pin 1 y 8 abiertos la ganancia es 20; puenteados con un capacitor de 10 µF, sube a 200. Es el proyecto de audio más accesible de 4° año.
- Las etapas de potencia manejan amperes: un cortocircuito accidental funde pistas.
- Los disipadores queman. Muchos TO-220 tienen la lengüeta conectada al colector: si el disipador está a la vista, hay tensión a la vista.
- Nunca hacer funcionar la etapa sin carga ni con la salida en cortocircuito.
- Verificar la continua en la salida (debe ser ≈ 0 V con fuente partida) antes de conectar el parlante. Si hay continua, el parlante se destruye.
10Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| Sonido áspero, sobre todo a volumen bajo | Distorsión de cruce: falta la prepolarización de clase AB. |
| Los transistores de salida se calientan sin señal | Corriente de reposo excesiva: la prepolarización quedó alta. Ajustar el multiplicador de VBE. |
| Se queman los transistores a los pocos minutos | Embalamiento térmico: faltan las resistencias de emisor o los diodos no están acoplados al disipador. |
| El parlante «hace ruido» y se calienta la bobina | Hay continua en la salida. Con fuente partida indica un transistor en corto: desconectar ya. |
| Zumbido de 50 o 100 Hz | Filtrado insuficiente de la fuente, o masas mal hechas (no en estrella). |
| Se recorta antes de llegar a la potencia calculada | La fuente cae al cargarla: transformador o capacitor de filtro subdimensionados. |
| El integrado se apaga cada tanto y vuelve | Está actuando la protección térmica interna. Falta disipador. |
| Oscilación de alta frecuencia (calienta, se ve en el osciloscopio) | Falta la red de Zobel o el desacople de alimentación. |
11Autoevaluación
¿Cuál es el rendimiento máximo teórico de la clase A con acoplamiento RC, y por qué es tan bajo?
25 %. Porque el transistor conduce corriente de reposo durante todo el ciclo, incluso sin señal, y esa corriente circula por la resistencia de colector disipando calor permanentemente.
¿Por qué aparece la distorsión de cruce en clase B?
Porque ningún transistor conduce hasta que la señal supera su VBE de 0,7 V. Entre −0,7 y +0,7 V la salida es cero, y eso genera un escalón en cada cruce por cero.
Calcular la potencia entregada a un parlante de 4 Ω con 12 V de pico.
P = Vp²/(2RL) = 144 / 8 = 18 W.
¿Para qué sirven las resistencias de 0,22 Ω en los emisores de salida?
Introducen realimentación negativa de corriente: si la corriente de reposo tiende a subir por temperatura, la caída en esas resistencias reduce la VBE efectiva y la frena. Son la protección principal contra el embalamiento térmico.
¿Por qué se montan los diodos de prepolarización sobre el disipador?
Para que su caída de tensión (que también baja unos 2 mV/°C) siga la misma deriva térmica que la VBE de los transistores de salida. Así la corriente de reposo se mantiene estable al calentarse el equipo.
¿Qué ventaja concreta tiene la fuente partida frente a la única?
No necesita capacitor de salida, así que la respuesta en graves es plana hasta continua y hay menos distorsión. Además entrega unas 4 veces más potencia con la misma tensión total. A cambio, exige una fuente más compleja y un sistema de protección del parlante.
Un transistor disipa 8 W, el ambiente está a 35 °C, Rjc = 1,5 °C/W y Rcs = 0,5 °C/W. Si Tj no debe pasar de 110 °C, ¿qué Rsa hace falta?
Rsa = (110 − 35)/8 − 1,5 − 0,5 = 9,375 − 2 = 7,4 °C/W. Hace falta un disipador de 7,4 °C/W o menos (valores menores = disipador más grande y mejor).
¿En qué condición de señal es máxima la disipación de un amplificador clase B?
No a potencia máxima ni en reposo, sino a aproximadamente el 63 % de la excursión máxima. Ese es el caso que hay que usar para dimensionar el disipador.
¿Qué es la red de Zobel y por qué se pone?
Una resistencia de 4,7 Ω en serie con un capacitor de 100 nF, conectada de la salida a masa. Le presenta al amplificador una carga resistiva en alta frecuencia, donde el parlante se vuelve inductivo. Sin ella muchos amplificadores oscilan a cientos de kHz.