Amplificadores de potencia de baja frecuencia
Un amplificador clase B disipa más calor a dos tercios de su amplitud máxima que a plena potencia. Y con 12 mA de reposo su distorsión con señal chica baja de 20 % a menos de 1 %.
01Lo que cambia con la potencia
En un amplificador de señal importan la ganancia y el ruido. En uno de potencia, que excita un parlante o un motor, pasan al frente el rendimiento, porque lo que no llega a la carga se disipa como calor en los transistores, y la distorsión con señal grande. Las clases de funcionamiento se distinguen por la fracción del ciclo en que conduce cada transistor:
| Clase | Conducción | Rendimiento máximo | Característica |
|---|---|---|---|
| A | Todo el ciclo | 25 % con carga resistiva, 50 % con transformador | Mínima distorsión, disipa aun sin señal |
| B | Medio ciclo cada transistor | 78,5 % | Sin consumo en reposo, distorsión de cruce |
| AB | Algo más de medio ciclo | Casi como B | La corriente de reposo elimina el cruce |
| C | Menos de medio ciclo | Cerca de 100 % en el límite | Solo con carga sintonizada, en radiofrecuencia |
| D | Conmutación | Más de 90 % en la práctica | Modulación por ancho de pulso y filtro de salida |
La presentación de las clases con los circuitos está en amplificadores de potencia, de la tecnicatura. Aquí se calculan el rendimiento, la disipación y la distorsión.
02Clase B: rendimiento y disipación
En el par complementario de seguidores, cada transistor conduce un semiciclo. Con fuentes de ±\( V_{CC} \), una carga \( R_L \) y una salida senoidal de amplitud \( V_p \), la fuente entrega una corriente media de \( V_p/(\pi R_L) \) por rama:
La disipación en los transistores es la diferencia entre lo que entrega la fuente y lo que recibe la carga, y no es máxima a plena potencia sino a una amplitud intermedia. Derivando:
03Distorsión de cruce y clase AB
Un seguidor bipolar necesita unos 0,6 V entre base y emisor para conducir. En clase B, mientras la entrada está entre −0,6 V y +0,6 V ningún transistor conduce y la salida queda en cero: es la distorsión de cruce, que afecta más a las señales chicas, justamente las que el oído percibe con más detalle. La clase AB separa las bases con una tensión de polarización, dos diodos o un multiplicador de \( V_{BE} \), para que por los transistores circule una corriente de reposo \( I_Q \) y siempre conduzca alguno.
Dos seguidores complementarios con el modelo exponencial \( i_C = I_S e^{v_{BE}/V_T} \) (\( I_S = 10^{-12} \) A), fuentes de ±15 V y un parlante de 8 Ω. Arriba, la entrada (gris) y la salida (azul); abajo, las corrientes de los dos transistores. La salida se resuelve exactamente en cada instante.
La corriente de reposo trae un riesgo: la tensión base–emisor de un bipolar baja unos 2 mV por grado. Si los transistores se calientan y la polarización queda fija, la corriente sube, calientan más y se destruyen: es la deriva térmica. Se evita con resistencias de emisor de algunas décimas de ohm y montando el multiplicador de \( V_{BE} \) sobre el mismo disipador, para que su tensión baje junto con la de los transistores de salida.
04Diseño térmico
El calor fluye de la juntura al ambiente a través de resistencias térmicas en serie, de la juntura a la cápsula, de la cápsula al disipador y del disipador al aire. Con la potencia disipada \( P_D \):
Además del límite térmico, las hojas de datos dan el área de operación segura: con tensión alta y corriente moderada, un bipolar puede fallar por segunda ruptura aunque la potencia esté dentro del límite. Las cargas reactivas, como un parlante, hacen que tensión y corriente estén desfasadas y llevan el punto de trabajo a esa zona.
05En el laboratorio
Armar un par complementario sin polarizar, observar la distorsión de cruce con señal chica y medir la distorsión con un analizador. Agregar dos diodos entre bases y repetir.
Medir la corriente media de las fuentes y la potencia en la carga para varias amplitudes, y comparar el rendimiento con \( \pi V_p/(4 V_{CC}) \).
Con un amplificador AB sin resistencias de emisor, medir la corriente de reposo mientras se calienta el disipador con un secador de pelo. Repetir con resistencias de 0,22 Ω.
06Errores frecuentes
- Dimensionar el disipador para la potencia máxima de salida. La disipación máxima ocurre a unos dos tercios de la amplitud máxima.
- Medir la distorsión solo a plena potencia. La de cruce es peor con señales chicas.
- Polarizar la clase AB con tensión fija. Sin compensación térmica, la corriente de reposo se dispara.
- Olvidar el área de operación segura con cargas reactivas. Un parlante no es una resistencia.
07Autoevaluación
¿Qué rendimiento tiene una clase B con ±20 V y 12 V de pico en la salida?
\( 0{,}785 \cdot 12/20 \approx 47 \) %.
¿Cuánto disipa como máximo cada transistor de una clase B con ±24 V sobre 4 Ω?
\( 24^2/(\pi^2 \cdot 4) \approx 14{,}6 \) W.
¿Por qué la distorsión de cruce es peor con señales chicas?
Porque la zona muerta de ±0,6 V es una fracción mayor de la señal.
Un transistor disipa 10 W con θjc = 1 °C/W y θcs = 0,5 °C/W. Con aire a 30 °C y juntura a 130 °C, ¿qué disipador hace falta?
\( 100/10 - 1{,}5 = 8{,}5 \) °C/W.
08Para ampliar
- Douglas Self. Audio Power Amplifier Design. 6.ª ed., Focal Press, 2013. El libro de referencia sobre distorsión de cruce, polarización y estabilidad térmica.
- Bob Cordell. Designing Audio Power Amplifiers. 2.ª ed., Routledge, 2019. El diseño completo, del par de entrada al área de operación segura.
- Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith. Microelectronic Circuits. 8.ª ed., Oxford University Press, 2020. Las etapas de salida clase A, B y AB con su análisis de rendimiento y disipación.