AMPLIFICADORES DE POTENCIA - PAD

AMPLIFICADORES DE POTENCIA
Adaptación de un artículo del mismo título,de autor desconocido, probablemente originado en la Escuela
Politécnica Superior de Jaén, España. Justamente por tratarse de una adaptación de un artículo no
totalmente editable, la numeración de párrafos, ecuaciones y figuras no sigue un orden “correcto”.
Nuestros agradecimientos…
4.1 Consideraciones generales
Se puede definir amplificador de potencia como la etapa, cuyo objetivo es entregar la máxima
potencia a la carga, con la mínima distorsión y con el máximo rendimiento, sin sobrepasar ni en las
condiciones más desfavorables de funcionamiento, los límites máximos permitidos de disipación de
potencia de los elementos empleados.
4.1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS AMPLIFICADORES
Según la frecuencia de las señales a amplificar
• De Corriente Continua. Entre 0 y algunos hercios.
• De Audiofrecuencia. Entre 20Hz y 20KHz.
• De Radiofrecuencia. Entre 20KHz y varios cientos de MHz.
• De Videofrecuencia. También llamados de banda ancha, entre 30Hz y 15MHz.
Según el funcionamiento de los transistores de salida
• Lineales. Los transistores trabajan en zona lineal.
• De conmutación. Los transistores de salida trabajan en conmutación, on - off.
Atendiendo al punto estático de funcionamiento, punto Q. Ver figura 4.1

Fig 4. 1 Tipos de amplificadores atendiendo al punto estático de funcionamiento. Observar las formas de onda
de la señal de entrada, V BE y de la señal de salida, I C
• CLASE A. La señal de salida circula durante todo un ciclo de la señal de entrada, incluso
en ausencia de ésta. El punto de funcionamiento Q está centrado en la Recta de carga.
• CLASE B. La señal de salida circula durante un semiciclo de la señal de entrada. I = 0
c)Q
• CLASE AB. La señal de salida circula durante menos de un ciclo y más de un semiciclo de
la señal de entrada. I ≠ 0 pero pequeño.
c)Q
• CLASE C. La señal de salida circula durante menos de un semiciclo de la señal de entrada.
El transistor se encuentra polarizado negativamente V < 0
BE
. CLASE D. Se conocen también con el nombre de amplificadores conmutados. Los
elementos de salida trabajan en conmutación, por lo que las pérdidas de potencia son muy
bajas y consecuentemente, alcanzan rendimientos próximos al 100%

4.2.1 SITUACIÓN DEL PUNTO DE TRABAJO
En la figura 4.3, se pueden ver las posiciones de la recta de carga en función de la clase en la que
trabaje el amplificador:
Fig 4. 3 Posición del punto de trabajo, Q: intersección de las rectas de carga dinámica y estática para los
distintos tipos de Amplificadores de potencia.
4.3 Amplificador de Potencia Clase A
Fig 4. 4 Amplificación en clase A

4.3.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES
Circula corriente en la salida durante todo el periodo de la señal de entrada e incluso en ausencia de
ésta.
Cuando no hay señal de entrada, la pérdida de potencia es máxima.
Al obtener grandes potencias y trabajar con grandes señales, trabajan próximos a la zona no lineal
de la característica V-I, por lo que la distorsión será significativa, aunque menor que en otras clases
como la B o la C.
El punto estático de funcionamiento estará en el centro de la característica de transferencia
dinámica.
El rendimiento máximo es del 50%, pero en la práctica está entre el 20 y el 35 %.
Se pueden distinguir dos tipos, según el acoplo con la carga, acoplo directo y acoplo por
transformador.
4.3.2 CLASE A CON ACOPLO DIRECTO A LA CARGA
En este tipo de amplificador, la carga está acoplada directamente.
En este circuito concreto, la recta de carga estática coincide con la dinámica. Se situará el punto Q
en el centro de éstas rectas para que la excursión de la corriente de salida sea máxima.
Fig 4. 5 Amplificador de potencia en clase A con acoplo directo. Circuito eléctrico y Corriente de colector
para máxima excursión. Punto Q situado en el centro de la recta de carga dinámica.
Para deducir las fórmulas correspondientes a éste diseño, es importante observar la figura 4.5, en la
que se supone que se obtiene la máxima excursión teórica de salida.
El diseño corresponde al caso del transistor trabajando en el límite de seguridad.
El valor de R L se determina directamente
La potencia en la carga será

Como se aprecia en la figura 4.5, la potencia máxima disipada por el transistor depende
directamente del punto Q, el cual pertenece a la hipérbola de máxima disipación de potencia
Cabe destacar que en clase A, cuando no existe señal de entrada, el transistor disipa la máxima
potencia (V CEQ · I CQ ).
La potencia suministrada por la fuente de alimentación se determina según la expresión
Finalmente se determina el rendimiento

4.3.3 CLASE A CON ACOPLO POR TRANSFORMADOR
Fig 4. 6 Amplificador de Potencia Clase A con acoplo por transformador. Circuito eléctrico, Rectas de carga
estática y dinámica. Localización del punto Q
En este tipo de amplificador, la carga está acoplada al transistor mediante un transformador, esto
hace posible adaptar impedancias únicamente variando la relación de espiras del transformador, "a"
ya que:
Al mismo tiempo, el transformador impide que la corriente continua circule por la carga,
eliminando la disipación de potencia que en el caso anterior se producía debido al paso de la
corriente, I a través de la carga.
C
Si se supone ideal el transformador, la resistencia de los arrollamientos para corriente continua será
nula, por lo que la recta de carga estática será una recta vertical. El punto Q esta situado en la
intersección de la recta de carga dinámica con la estática y la hipérbola de máxima disipación de
potencia del transistor.

Fig 4. 7 Formas de onda para un transistor trabajando a plena potencia en un amplificador clase A con acoplo
por transformador. a)Tensión colector-emisor, b) Corriente de colector, c) Disipación de potencia en el
transistor
De manera análoga al caso para acoplo directo, se deducen las fórmulas características para esta
configuración. Éstas expresiones ya deducidas se detallan a continuación:

La disipación de potencia instantánea en el transistor de la figura 4.7 será:
Para una señal senoidal
4.4 Amplificadores de Potencia en Contrafase
4.4.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES
La configuración en contrafase o push-pull, se utiliza para los casos en los cuales la potencia
necesaria en la carga es superior a la que puede entregar un único transistor. También se utiliza
cuando se quiere hacer trabajar un transistor en clase B y amplificar los dos semiciclos de la señal
de entrada.
Las características de esta configuración son:
• Empleo de dos transistores excitados con señales iguales pero desfasadas 180º.
• El primario del transformador de salida está recorrido por corrientes iguales y de sentido
contrario, por lo que en ausencia de señal alterna, el flujo resultante a través del transformador
es nulo.
• La fuente de alimentación no necesita filtrado riguroso al no inducir señal en el secundario del
transformador de entrada, por producirse en el primario señales opuestas, que se contrarrestan.
• Se eliminan los armónicos pares, reduciéndose la distorsión.

• La potencia de salida es mayor que para un único transistor.
4.4.2 AMPLIFICADOR DE POTENCIA CLASE A EN CONTRAFASE.
Fig 4. 8 Amplificador de Potencia clase A en contrafase
Características y funcionamiento
El circuito básico es el mostrado en la figura 4.8 Está formado por un inversor de fase, constituido
por el transformador T (con toma intermedia en el secundario). Cuando la tensión en la base de un
e
transistor aumenta, en el otro disminuye en la misma proporción. En estado de reposo, la tensión
base – emisor de ambos transistores es igual.
El amplificador se polariza en clase A mediante el divisor de tensión formado por las resistencias R
1
y R .
2
Para estudiar su funcionamiento, se considera que en el secundario del transformador de entrada se
induce una señal senoidal. En las bases de los transistores aparecerán dos tensiones desfasadas 180º,
por lo que cuando la tensión aumente en una de las bases, en la otra disminuirá. Esto quiere decir
que cuando la corriente I aumenta, entre los puntos A y B del primario del transformador de salida
C1
aparece según la ley de Lenz una diferencia de potencial que tiende a contrarrestar este aumento, y
análogamente, cuando disminuye I , entre C y B aparece otra diferencia de potencial que se opone
C2
a esta disminución.
La diferencia de potencial entre los extremos del primario del transformador de salida será:

La tensión V se refleja en el secundario del transformador de salida, según la relación de
AC
transformación elegida, dando lugar a la corriente que circulará por la carga.
4.5 Amplificador de Potencia Clase B
4.5.1 CARACTERÍSTICAS GENERALES
• La señal de salida circula durante medio ciclo de la señal entrada (180º a la salida cuando la
entrada es senoidal de 360º).
• El transistor se polariza en el límite de corte, por lo que en ausencia de señal de entrada, la
corriente de colector es nula.
• El rendimiento teórico máximo es del 78.5%; en la práctica se obtiene entre el 50% y el 65%.
• Admiten señales de entrada de mayor amplitud que en clase A.
• Introducen mucha distorsión por lo que no se suelen utilizar en amplificadores de potencia
con un único transistor; si se suelen utilizar en montajes de contrafase.
Fig 4. 10 Amplificación en clase B. Corriente de colector en función de la corriente de base. Localización del
punto Q en la recta de carga dinámica. Observese que el transistor está polarizado al corte.

4.5.2 AMPLIFICADOR DE POTENCIA CLASE B EN CONTRAFASE
Fig 4. 11 a)Amplificador de Potencia Clase B en Contrafase. b) Amplificador de Potencia Clase B en
Contrafase con Transistores Simétricos Complementarios
Sustituyendo los transistores de salida por simétricos complementarios (NPN, PNP) se obtiene la
configuración clásica: etapa simétrica complementaria en Clase B, utilizada como circuito de
potencia.
Cuando se atacan con una señal senoidal las bases de los transistores, se observa que si uno de ellos
está polarizado en directo, el otro está en inverso, por lo que cada uno de ellos amplificará un
semiperiodo de la señal de entrada.

Disipación de potencia y rendimiento
Potencia de salida o potencia en la carga, P L

Potencia máxima que puede entregarse a la carga,
Potencia suministrada por la fuente, P CC
El factor “2” en la expresión anterior es debido a que son dos los transistores utilizados en el
sistema en contrafase.
Rendimiento, μ
El rendimiento es bastante mayor que en los amplificadores en clase A. El valor elevado del
rendimiento se explica porque en un sistema clase B no circula corriente si no hay excitación,
mientras que en clase A, la fuente de alimentación entrega corriente incluso si la señal es cero. En
clase B, la potencia disipada en el colector es cero en reposo y aumenta con la excitación.
La potencia disipada en ambos transistores

Cuando en el circuito de la figura 4.11 b) se suprime una de las fuentes de alimentación y se añade
un condensador de gran capacidad, que la sustituye durante el semiciclo en el que conduce el
segundo transistor, la excursión máxima de salida se reduce a V /2. Este circuito se muestra en la
cc
figura 4.17
Al introducir el condensador, se hace al circuito dependiente de la frecuencia. Conforme disminuye
la frecuencia de la señal, aumenta la tensión en el condensador y disminuye en la carga, reduciendo
la ganancia del amplificador.
El punto de media potencia, o de 3 dB, especifica la frecuencia más baja de corte. Esta es la
frecuencia que provoca una caída de 3 dB , Av = 0.707 en la amplitud de salida.
El punto está especificado por la siguiente expresión.
La impedancia del condensador disminuye con el aumento de la frecuencia, por lo que el peor de
los casos se produce a frecuencias bajas. Si se supone que la frecuencia más baja (frecuencia de
corte) es f L , el valor para el condensador será

Distorsión de cruce
Los armónicos pares desaparecen como consecuencia del montaje en contrafase. La principal fuente
de distorsión es el tercer armónico, aunque no se considerará por no influir de manera significativa
en la potencia de salida.
La distorsión que sí se debe considerar en este tipo de montajes es la debida a la alinealidad de las
características de entrada de los transistores. Se conoce como distorsión de cruce (crossover). Si se
aplica una entrada senoidal a la entrada de un amplificador en contrafase clase B, no habrá salida
hasta que la entrada supere la tensión de umbral (V ≈ 0 5 ... 0.7 voltios para el silicio). Esto se
τ .
puede apreciar en la figura 4.18 Para evitar este tipo de distorsión se aplica una ligera polarización a
las bases de los transistores. Para ello se colocan diodos de compensación en serie con unas
resistencias, encargadas de hacer que I se encuentre ligeramente por encima de cero, (esto
CQ
provoca que los transistores amplifiquen la señal de entrada en alterna de manera simultánea en la
región de paso por cero, compensando así la baja amplificación en dicha zona, por tanto el nuevo
funcionamiento será en clase AB que se estudiará posteriormente, dentro de este mismo capítulo.

En este gráfico se puede apreciar la distorsión de cruce, característica de los amplificadores de potencia
trabajando en clase B en contrafase.
Reducción de la distorsión con realimentación
Una forma de reducir la distorsión de cruce en los amplificadores clase B en contrafase, consiste en
introducir un lazo de realimentación y colocar un preamplificador con una gran ganancia en lazo
abierto. Este preamplificador suele ser un amplificador operacional.
4.5.2 AMPLIFICADOR DE POTENCIA CLASE AB EN CONTRAFASE.
Características generales
La distorsión de cruce que se produce en los amplificadores en contrafase clase B, puede eliminarse
si previamente se polarizan ligeramente ambos transistores. De esta forma, la señal de entrada
oscilará en torno a un nivel de polarización distinto de cero y se conseguirá eliminar la zona muerta
situada en las proximidades del origen.
El circuito de la figura 4.20 es un circuito mejorado en el que se emplea el condensador Cs para no
emplear dos fuentes de alimentación. Los diodos proporcionan una pequeña polarización a las bases
de los transistores, que evita la distorsión de cruce.

Cuando se alimenta la entrada con una señal senoidal, se puede observar que durante el primer
semiciclo de la misma conduce el transistor Q1. El condensador se carga hasta una tensión igual a
Vcc/2. Durante el semiciclo negativo de la tensión, el condensador se descarga, alimentando al
transistor Q2.
El precio que se paga por evitar la distorsión de cruce es un pequeño consumo de potencia en
ausencia de señal, que repercute en una disminución del rendimiento.