Amplificador de Potencia

AMPLIFICADORES DISCRETOS Y AMPLIFICADORES INTEGRADOS

Los amplificadores de potencia se construyen de dos formas, discretos e integrados y una tercera que es la combinación de las dos anteriores, llamada híbridos. Un amplificador discreto es aquel que está construido, transistor por transistor; es decir, cada etapa transistorizada es independiente, construida elemento por elemento.  Un amplificador de transistores puede llegar a tener muchos transistores y varias etapas de amplificación, pero  por lo regular basta con seis (6) transistores para lograr la amplificación de potencia aceptable. Este tipo de amplificadores permite lograr potencias elevadas y son los favoritos para su desempeño en el campo de la alta fidelidad.

En la actualidad los modelos discretos son por lo general amplificadores complementarios o cuasi-complementarios. Los amplificadores cuasicomplementarios pueden ser con transistores de salida NPN o PNP, no obstante pueden encontrarse eventualmente otras configuraciones. A continuación ahondaremos un poco en los amplificadores complementarios y cuasicomplementarios y daremos como ejemplo un amplificador híbrido, que usa un circuito integrado a la entrada, a manera de excitador, en vez del tradicional par diferencial. Lo hemos construido en las tres versiones diferentes.

Amplificadores Complementarios

       

Un amplificador complementario es aquel que en su etapa de potencia tiene un transistor de base positiva y uno de base negativa y trabajan como complementos. Es decir el transistor NPN se encarga de amplificar los semiciclos positivos y el PNP se encarga de los semiciclos negativos. Entre los dos forman el ciclo completo de la onda senoidal.
La idea original del amplificador complementario fue presentada por H.C. Lin y desarrollada gracias a la GENERAL ELECTRIC.CO y otras empresas de la época.

Los amplificadores complementarios son los más comunes en el mercado de amplificadores de potencia. Su rendimiento es muy bueno y su fidelidad es aceptable, aunque no son los más limpios en sonido. A continuación explicaremos porque.
Los transistores tienen una ganancia determinada por el fabricante. Esta recibe el nombre de hFE o Beta. Un transistor entre más potente, su beta es más bajo. Por ejemplo un transistor A1015 que es un transistor pequeño, tiene un beta aproximado de 180. En cambio un transistor 2SC3858 que es un transistor de gran potencia, tiene un beta aproximado de 30. Lo insólito es que si medimos el beta del transistor complementario del 2SC3858, que es el 2SA1494, encontramos que mide más o menos 100. Esto es extraño, pero así es. El desempeño de un transistor NPN es mejor que el transistor PNP.
En conclusión: Como el transistor NPN tiene una respuesta diferente al PNP, al momento de cruce de onda, se genera una distorsión llamada Distorsión de cruce, que por mas que el diseño y la calibración de BIAS sea perfecta, existe esa distorsión. Quiero aclarar que no estoy diciendo que los amplificadores complementarios sean ruidosos, por el contrario son mas limpios que muchos amplificadores de integrados, pero si tienen mas ruido que los amplificadores cuasicomplementarios. Claro que estoy hablando de un ruido que solo puede ser escuchado por un experto en sonido o visto con el osciloscopio. Para el oído normal suenan perfecto. 

Amplificadores cuasicomplementarios NPN

Se denomina amplificador cuasi-complementario aquel amplificador que tiene en su salida transistores de la misma polaridad para hacer, tanto los semiciclos positivos, como los semiciclos negativos. En este caso presentamos un amplificador cuasicomplementario con transistores NPN. Tomamos el amplificador complementario y le hicimos unas pequeñas modificaciones, cambiando de sitio un par de resistencias y unas pistas.
Básicamente lo que hay que hacer para convertir un amplificador complementario a cuasicomplementario NPN, es cambiando la resistencia de 0.22  ohmios que polariza el transistor PNP (R17). Esta resistencia se encuentra entre el emisor del transistor PNP y la salida. Al cambiar el transistor PNP por uno NPN, la resistencia pasa a estar entre el emisor del nuevo transistor y –Vcc. La base del transistor PNP iba al emisor del transistor impulsor TIP42. Ahora el transistor NPN lleva su base conectada al colector del TIP42 y la resistencia de 100 ohmios (R15), que estaba entre el emisor del TIP42 y la salida, ahora va entre el colector y –Vcc. Con sólo esos cambios ya tenemos un amplificador cuasicomplementario NPN.

Amplificadores cuasicomplementarios PNP

Ahora tenemos un amplificador cuasicomplementario con transistores PNP. Tomamos el amplificador complementario y le hicimos las mismas modificaciones que con el cuasi complementario NPN, pero en el semiciclo positivo, que era donde se encontraba el transistor NPN, el cual cambiamos por un PNP, para que los dos transistores queden PNP.
Lo que hay que hacer para convertir un amplificador complementario a cuasicomplementario PNP, es cambiar la resistencia de 0.22  ohmios que polariza el transistor NPN (R16). Esta resistencia se encuentra entre el emisor del transistor NPN y la salida. Al cambiar el transistor NPN por uno PNP, la resistencia pasa a estar entre el emisor del nuevo transistor y +Vcc. La base del transistor NPN iba al emisor del transistor impulsor TIP41. Ahora el transistor PNPlleva su base conectada al colector del TIP41 y la resistencia de 100 ohmios (R14) que estaba entre el emisor del TIP41 y la salida, ahora va entre el colector y +Vcc. Con sólo esos cambios ya tenemos un amplificador cuasicomplementario PNP.

Conclusión

A veces nos encontramos son un amplificador que nos parece muy bueno o simplemente se ajusta con las necesidades que estamos buscando y resulta que usa transistores de una polaridad que no conseguimos en el mercado local de nuestra ciudad. Otras veces simplemente encontramos transistores económicos de una polaridad distinta a la del amplificador que pensamos realizar. Por ejemplo a mi me sucedió que fui a comprar transistores NPN y me dijeron que los PNP me los dejaban mas económicos porque esos los compraban menos y tenían muchos guardados. En ese momento tomé la decisión de modificar el circuito para usar solo transistores PNP y pude hacer el amplificador que necesitaba, ahorrando unos cuantos pesos.
Otra gran ventaja de saber convertir un amplificador de complementario a cuasicomplementario, es el conocimiento que se adquiere en el proceso de modificación del circuito impreso. Al final de este artículo encontrará un archivo PDF que muestra el mismo amplificador en las tres configuraciones. Ahora seguiremos con el tema de los amplificadores.

Video de prueba y algunas mediciones del amplificador aquí presentado

OTRAS VERSIONES DE AMPLIFICADORES

Aparte de los amplificadores híbridos formados por transistores e integrados, existen en la actualidad, versiones de amplificadores de válvulas o tubos de vacío, los cuales aventajan al transistor, tanto en manejo de potencias muy altas, como en el hecho de que no producen recorte de señal, ya que sus elementos  están polarizados de manera adecuada para que esto no suceda, de esa manera la válvula nunca alcanza la saturación. Cuando la señal se recorta en los amplificadores transistorizados, se produce un sonido ronco y muy desagradable al oído. Esto no pasa con las válvulas. Deberemos comentar también que los transistores son muy fieles en la reproducción de los sonidos, eso trae problemas que hace que su sonido no sea agradable al oído de muchos músicos, sobre todo para los guitarristas de rock o metal, sin embargo los amplificadores a válvulas, al no ser tan fieles para amplificar ciertas señales, tienden a redondear los picos o las esquinas de las señales a amplificar, provocando con ello sonidos más agradables al oído, de manera que un amplificador a válvulas no suena tan chillón (agudo) como sucede con los amplificadores a  transistores. Razón por la que son los preferidos por los profesionales de la música sobre todo en amplificadores de bajos y guitarras.

Si bien las válvulas tienen el inconveniente de tener una impedancia muy alta a la salida que obliga a utilizar transformadores pesados y grandes a la salida, estos pueden eventualmente introducir distorsión, ya que su respuesta de frecuencia es limitada, y esto es causa que no reproduzcan la señal original tan fielmente, siendo esto otra razón de su sonido agradable. Algunos amplificadores son básicamente a transistores, mas sin embargo en la etapa de preamplificación utilizan válvulas de vacío. A este tipo de amplificadores se les llama “Híbridos”.

Existe otra configuración que son los amplificadores clase D. Estos operan con pulsos de muy altas frecuencias modulados, en ancho (PWM), son ligeros, compactos y muy potentes. No obstante el empleo de pulsos de alta frecuencia acarrea problemas de ruidos, porque los pulsos vinculan un número muy grande de armónicos, lo que no ocurre al trabajar con las señales senoidales, como en el caso de los amplificadores cuasi-complementarios. No obstante esto ya ha sido superado por los fabricantes y hoy en día se encuentra una gran variedad de integrados clase D de muy altas potencias y que además trabajan con bajos voltajes, haciéndolos ideales para los amplificadores utilizados en los automóviles.

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>>Descargue aquí<<<  El archivo PDF con información y el circuito impreso para ensamblar el amplificador monofonico de 100 watts en las configuraciones complementario, cuasi-complementario NPN y cuasi-complementario PNP.