CIRCUITO AMPLIFICADOR DE POTENCIA

Transcripción

1 IRUITO AMLIFIADOR D OTIA Oscar Montoya Figueroa Los semiconductores l funcionamiento de un amplificador de potencia se realiza cuando una señal de intensidad muy baja es amplificada mediante circuitos electrónicos. ara entender su funcionamiento, es necesario recordar brevemente los principios de operación del transistor; esto es lo que veremos en el presente artículo, en el que además construiremos dos circuitos amplificadores de potencia con materiales que pueden conseguirse fácilmente en cualquier tienda de partes electrónicas. Recordemos que un semiconductor es un material de tipo cristalino, generalmente silicio o germanio; estos materiales presentan por sí solos una resistencia eléctrica muy elevada. ara lograr que un material de este tipo reduzca su resistencia eléctrica, es necesario agregarle impurezas (aluminio o fósforo) a fin de crear un exceso o un déficit relativo de electrones dentro del semiconductor. uando a un material cristalino se le agregan impurezas para provocar un déficit de electrones, se obtiene un semiconductor de tipo. uando se agregan impurezas para provocar un exceso de electrones en el material, se dice que se ha formado un semiconductor tipo (figura). Los diodos semiconductores uando se unen dos semiconductores, uno de tipo y el otro de tipo, se forma un diodo (figura 2); este nombre es una herencia de los antiguos tubos de vacío. Un diodo no presenta una curva de respuesta lineal al voltaje que se le aplica; es decir, que la corriente a través de él se LTROIA y servicio 7

2 Silicio Déficit Silicio Figura l exceso o déficit de electrones en un material cristalino, produce un semiconductor de tipo ó, respectivamente. xceso Dos materiales semiconductores formando un diodo Zona de transición Figura 2 l silicio con impurezas de aluminio forma un material tipo "". l silicio con impurezas de fósforo forma un material tipo "". Unión comporta de manera distinta cuando se le aplica un voltaje con polaridad positiva o negativa (más adelante se explica este comportamiento). Si en los extremos del diodo se aplica un voltaje de corriente directa, a manera de que el polo positivo de la fuente corresponda a la sección del semiconductor y el polo negativo de la fuente corresponda a la sección del mismo, se obtiene un diodo polarizado de manera directa. Si las polaridades aplicadas al diodo son de la forma contraria, se dice que el diodo se polariza de manera inversa. uando el diodo se encuentra polarizado directamente, presenta una resistencia para valores muy pequeños de voltaje llamada "barrera de potencial" (para diodos de silicio, es de 0.7 volts; para diodos de germanio, de 0.3 volts). ualquier voltaje aplicado al diodo por debajo de este valor, le permitirá conservar su estado de resistencia; así se evita que conduzca la corriente eléctrica. ero si el voltaje de polarización aplicado supera al valor de la barrera de potencial, entonces el diodo comienza a conducir la corriente eléctrica (figura 3). La barrera de potencial en los semiconductores, es una resistencia eléctrica interna que se forma por la recombinación de electrones y huecos cercanos a las uniones entre semiconductores de diferente tipo ( o ). or el contrario, cuando un diodo está polarizado de manera inversa se mantiene en un estado de noconducción; esto se debe a que su barrera de potencial se sostiene en un nivel muy alto (figura 4). Y si se incrementa suficientemente el voltaje inverso aplicado al diodo, se llega a un punto de ruptura donde se comenzará a n un diodo polarizado directamente, la barrera de potencial es de 0.5 a 0.7 volts. ualquier voltaje por arriba de este valor, pone en conducción al diodo. arrera de potencial uando un diodo se polariza de manera inversa, la barrera de potencial se hace tan grande que evita el paso de la corriente eléctrica a través de él. arrera de potencial Diodo Diodo orriente eléctrica atería Figura 3 atería Figura 4 72 LTROIA y servicio

3 conducir de manera inversa la corriente eléctrica. A este efecto se le conoce con el nombre de avalancha. xisten pruebas de voltaje aplicadas a los diodos, que permiten obtener un registro de sus corrientes de conducción. Se elaboran listas completas de estos datos, los cuales son graficados para obtener la curva característica de cada diodo (figura 5). Generalmente los fabricantes proporcionan la curva característica de cada uno de los diodos que fabrican, permitiendo así a los diseñadores de circuitos prever las condiciones de operación y la manera en que se podrá utilizar un diodo en particular. ara aquellas personas relacionadas con la reparación de circuitos, la curva característica del diodo les permite seleccionar los reemplazos adecuados cuando uno de estos dispositivos ya no se encuentra en el mercado o cuando el mismo provoca conflictos dentro del circuito que se está reparando. Actualmente los diseñadores han logrado modificar las condiciones de operación de los diodos, de tal forma que su uso no se limita exclusivamente a la rectificación; pueden funcionar también como reguladores de voltaje, capacitores variables, detectores de radiofrecuencia, duplicadores de voltaje y en otras aplicaciones que aprovechan sus características inherentes. Los transistores n 948, los laboratorios ell desarrollaron un dispositivo semiconductor con tres secciones de materiales semiconductores (una configuración y otra ); nos referimos al transistor. ada transistor cuenta con dos secciones de material separadas por una sección de material ; en tanto, cada transistor cuenta con dos secciones de material separadas por una sección de material (figura 6). l nombre de "transistor" se deriva de transferencia de resistencia. n su momento, este dispositivo fue el reemplazo directo de la válvula tríodo, que durante esa época dominaba al mundo. or motivos de claridad, basaremos nuestra explicación en transistores de tipo. Al igual urva característica de un diodo semiconductor V unto de ruptura onducción en sentido inverso I (orriente) I Figura 5 onducción en sentido directo V (Voltaje) que el diodo, el transistor requiere ser polarizado para que realice la función en la que será empleado. ara ello se coloca una fuente de alimentación (una batería) entre colector y emisor, de tal manera que el polo negativo de la fuente quede conectado al emisor del transistor. n la construcción interna de un transistor, existe una tercer zona llamada base; ésta separa al colector del emisor. Mientras no exista una polarización positiva en la base, el circuito descrito se mantiene en un estado de noconducción; esto se debe a que las barreras de potencial de las uniones se hacen tan grandes que no permiten el paso de los electrones a través de ellas. Si se aplica un voltaje positivo entre la base y el emisor, se fomenta la producción de portadores mayoritarios; es decir, huecos que pueden servir de transporte a los electrones que se encuentran en el emisor. sto genera el paso de la corriente eléctrica desde el emisor a través de la base, saliendo por la terminal externa del colector; de esta forma se reduce la resistencia de las barreras de potencial. Mientras se mantenga el voltaje aplicado en la base, el flujo de corriente a través del transistor se mantendrá. Si en la base, por el contrario, se aplica un voltaje negativo, no se generan portadores mayoritarios; entonces la corriente eléctrica del transistor se interrumpirá, y las barreras de potencial en las uniones se harán más grandes. Ahora ya sabemos que la corriente eléctrica a través de un transistor puede ser controlada mediante la aplicación de un voltaje positivo o LTROIA y servicio 73

4 Figura 6 A Transistor A squema eléctrico 2 2 V V Transistor D squema eléctrico 2 2 V V I V I Sentidos de referencia para las corrientes y tensiones en un transistor V V : ase : olector : misor negativo en la base del mismo. xiste una característica que hace a los transistores especialmente útiles, sobre todo en lo que se refiere a la amplificación de señales electrónicas. l flujo de corriente eléctrica que circula entre el emisor y el colector, puede ser de valores que oscilan entre el rango de los miliampers hasta los ampers (una corriente muy grande). ero, para controlar el flujo de corriente entre el emisor y el colector se requiere de corrientes del orden de los microampers. n otras palabras, una corriente grande de emisor a colector puede ser controlada mediante una corriente pequeña aplicada en la base. Operación de un amplificador de potencia Amplificar una señal electrónica consiste en incrementar los valores de intensidad de una señal, manteniendo sus características de forma y frecuencia. ara cada rango de frecuencia de la señal que se desea amplificar, se requiere de un diseño especial; es decir, no se puede utilizar el mismo modelo de amplificador para señales de baja frecuencia (como el audio) que para señales de alta frecuencia (como las de radio). De igual forma, el diseño del amplificador está determinado con base en los valores de corriente y voltaje de la señal que se desea amplificar. n la figura 7, se muestra un circuito amplificador de voltaje a transistor. Las resistencias R y R 2 polarizan la base del transistor T mediante una configuración de divisor de tensión; R es la resistencia de polarización positiva del colector; R es la resistencia de polarización a tierra o negativa del emisor. l capacitor y la resistencia R conectados al emisor del transistor, actúan como un circuito de desacoplamiento a la corriente alterna. Si observáramos con osciloscopio este nodo, se mostraría una línea que indica que este punto siempre se mantiene en un solo valor de voltaje. n este circuito, la señal de entrada se acopla mediante R G y. l voltaje de la señal de entrada que llega a la base es menor que el voltaje de polarización dado por R y R 2, ya que se produce 74 LTROIA y servicio

5 ircuito amplificador de voltaje a transistor. RG Señal de entrada R2 () Rc R () una pequeña caída de tensión sobre R G. omo el emisor del transistor se encuentra conectado a tierra, al presentarse una señal de voltaje de corriente alterna en la base, las variaciones de voltaje actúan sobre el diodo de la unión basecolector también con una corriente alterna. uando en la base se presenta el medio ciclo positivo de la señal de corriente alterna, la corriente en el colector es creciente. sto significa que el voltaje en la resistencia del colector aumenta en la misma proporción, provocando así un menor voltaje en la terminal del colector. De esta manera, el voltaje de salida entregado por la terminal del colector está invertido 80º en fase. Un semiciclo positivo de una onda de corriente alterna de entrada en circuito, entrega en la salida un semiciclo negativo pero con una mayor intensidad de voltaje. De igual forma, para un semiciclo negativo de entrada, en la salida se entrega un semiciclo positivo. n la terminal del colector del circuito, se obtiene un voltaje de corriente directa más una señal de corriente alterna. ara separar la señal de corriente alterna tal como fue aplicada en la entrada del circuito, se utiliza un capacitor de desacoplamiento (que en este caso es 2 ) que funciona como un circuito abierto a la corriente directa y como un circuito cerrado a la corriente alterna. ntonces, en la salida del circuito en la resistencia R L se obtiene la componente de corriente alterna. Se han colocado los oscilogramas correspondientes a las señales que se observarán en cada parte del circuito, para entender mejor la forma en que se realiza la amplificación de voltaje dentro de él. Un diseño del mismo circuito, pero con valores, puede ser utilizado como amplificador para señales de audio (figura 8). Los amplificadores operacionales o hace muchos años aparecen los primeros circuitos integrados, y con ellos una nueva realidad que ha modificado inevitablemente el panorama tecnológico. Un circuito integrado es un dispositivo de tamaño muy reducido, pero en el que internamente se concentran cientos y miles de transistores, además de resistencias, capacitores y diodos, todos ellos interconectados para formar un dispositivo capaz de realizar funciones más complejas. sto permite que los aparatos electrónicos sean más pequeños, que realicen una gran cantidad de funciones y que su consumo de energía eléctrica sea considerablemente menor. Un amplificador operacional característico, es un circuito de alta ganancia continua que funciona desde 0 hasta MHz. ste dispositivo, para su estudio y para la mayoría de los procedimientos de diseño, se considera como una caja negra con terminales externas o puntos para conexión. Al conectar las terminales con voltajes de alimentación, generadores de señal y resistencias de carga, se puede construir de manera fácil y Señal de entrada / mv 680Ω 0.µfd 2.2 KΩ 0KΩ KΩ T 3.6 KΩ µfd 2 RL 0µfd 0k Figura 7 Señal de salida 0V Vcc Señal de salida / 6v Figura 8 LTROIA y servicio 75

6 rápida un amplificador de excelentes características. Al principio, los amplificadores operacionales fueron circuitos que se utilizaron en computadoras analógicas; se construían con válvulas electrónicas y se empleaban principalmente para realizar operaciones matemáticas. Actualmente, los amplificadores operacionales son circuitos integrados de materiales semiconductores. Los amplificadores pueden ser utilizados también como amplificadores de ganancia variable de precisión, amortiguadores, sumadores, fuentes de corriente, convertidores y osciladores, entre otras tantas aplicaciones. Símbolo esquemático del amplificador operacional ntrada positiva ntrada negativa Opamp V(Voltaje negativo) V (Voltaje positivo) onfiguración de amplificador inversor ntrada RF onfiguración de amplificador no inversor ntrada RF Figura 9A Figura 9 Figura 9 l símbolo esquemático para el amplificador operacional se muestra en la figura 9A. Tiene básicamente dos entradas, una positiva () y otra negativa (), llamada también "inversora"; cuenta con una salida común y dos terminales de polarización con un voltaje bipolar (indicadas como V y V)., n mucha de la literatura técnica, el nombre de "amplificador operacional" es referido como opamp (que es la contracción del nombre en inglés). n un amplificador de tipo inversor (figura 9), se aplica una señal de entrada tanto en la terminal inversora como en la terminal común de tierra; y en la salida se obtiene una señal amplificada, pero con un defasamiento de 80, de la misma forma que sucedió en el circuito amplificador de voltaje que analizamos anteriormente. n este circuito existe, de igual forma, la red de retroalimentación para controlar la ganancia del circuito; pero ahora la señal de entrada se aplica en la terminal negativa (), en tanto que la entrada positiva o no inversora es puesta a tierra. n el amplificador del tipo no inversor (figura 9), cualquier señal aplicada en la terminal no inversora y la terminal común de tierra, proporciona en la salida una señal que se encuentra en fase con la señal de entrada, pero con un valor de intensidad mayor. n este circuito, la conexión de los resistores R y R F constituye la red de retroalimentación, la cual permite controlar mediante un arreglo de resistores la ganancia de voltaje de salida del amplificador; de otra manera, la ganancia quedaría determinada por el valor del voltaje de polarización del circuito. También con la red se evita la saturación del circuito, permitiendo su operación útil. La señal de entrada se aplica en la terminal no inversora. Si dos señales se aplican al mismo tiempo en las terminales de entrada, respecto de la terminal común de tierra, en la salida se obtiene la diferencia (suma algebraica) de las dos señales de entrada; estamos hablando de un amplificador tipo diferencial. Ahora se aplican dos señales en cada una de las entradas del circuito; asimismo, se ha colocado una red de retroalimentación para cada una, y en la salida se obtiene la diferencia de las señales de entrada (tabla ). 76 LTROIA y servicio

7 Tabla Amplificador aracterística Ventajas squema Inverso Se aplica el voltaje en la terminal (), obteniendo un aumento de intensidad. Se utiliza para la amplificació n de ondas sonoras. ntrada RF o inverso l voltaje se aplica en la terminal () y se disminuye con ello la intensidad. Se utiliza para la amplificació n de audio profesional. ntrada RF Diferencial La señ al se aplica en las dos terminales. Al ocuparse los huecos, se obtiene la diferencia de intensidad que seráutilizada. Su funcionalidad le permite aplicarse en televisores estereofó nicos o en autoestéreos. onfiguración de amplificador inversor RF Señal Señal 2 RF2 Tierra Suma algebraica de las entradas s importante destacar las ventajas atribuibles a un amplificador operacional ideal: La ganancia de voltaje es infinita. La impedancia de entrada es infinita. La impedancia de salida es cero. La respuesta en frecuencia es constante para todos los valores de frecuencia. La señal de salida es cero, si a la entrada no hay señal. ircuito amplificador de potencia Ahora presentaremos una aplicación práctica de un amplificador operacional como amplificador de potencia de audio (figura 0). n la entrada de nuestro circuito colocaremos un potenciómetro tipo logarítmico,, cuya función será controlar el volumen de salida actuando como un divisor de tensión. onforme mayor tensión sea acoplada al capacitor 2, mayor será la intensidad de la señal que se obtenga en la salida del circuito. l amplificador se encuentra conectado en configuración de amplificador no inversor. Observe cómo la señal de entrada se aplica en la terminal no inversora (positiva); la red de retroalimentación está formada por los resistores R2 y R3 y, finalmente, los capacitores 5 y 4 permiten el acoplamiento de la señal de salida hacia la bocina. Los materiales necesarios para la construcción del circuito son: : apacitor electrolítico de 0.2 microfaradios. 2: apacitor electrolítico de 0 microfaradios. 3: apacitor electrolítico de 470 microfaradios. 4: apacitor electrolítico de 0.2 microfaradios. ircuito amplificador de potencia A R2 4 3 R3 Figura 0 LTROIA y servicio 77

8 Terminales del circuito LM383 Figura 782 Regulador positivo a 2 volts Figura 3. ntrada positiva () 2. ntrada negativa () 3. Tierra Voltaje de polarización positivo. ntrada () 2. (2) 3. Tierra (3) V 4 2 V 3 5: apacitor electrolítico de 000 microfaradios. A: ircuito integrado LM383. : otenciómetro logarítmico de 0 Kilohms sin interruptor. R2: Resistor de 220 ohms a /2 watt. R3: Resistor 2.2 ohms a /2 watt (o un valor aproximado). : ocina de 4 ohms. asta térmica de silicón Fuente de alimentación l circuito integrado LM383 (A) tiene un circuito de corte térmico; esto significa que cuando la corriente de salida es muy grande y la temperatura se hace excesiva, la salida del circuito se desconecta hasta que se restablecen las condiciones normales para la operación del circuito. ara ampliar el rango de operación del dispositivo y evitar posibles daños, es necesario colocar en el cuerpo del dispositivo un disipador térmico. A fin de lograr una buena conducción del calor entre el circuito y el disipador, coloque entre ambos un poco de pasta térmica de silicón. Aplique en la entrada una señal de voltaje pequeño; por ejemplo, la salida auxiliar de un reproductor de cassette portátil (walkman). La descripción de las terminales del circuito LM383 se muestra en la figura. l voltaje recomendado para la alimentación de este circuito es de 2 volts. Si se presenta distorsión en la salida del circuito, utilice una fuente con un voltaje menor. Sugerimos utilizar una fuente como la mostrada en la figura 2. ste es el material que se requiere para su construcción: T () T: Transformador reductor de 27 a 2 volts, con 500 miliampers de salida. : uente rectificador para amper. : apacitor electrolítico de 000 microfaradios. 2: apacitor electrolítico de 000 microfaradios. : ircuito integrado regulador 782. () or último, la descripción de las terminales Figura 2 del regulador se indican en la figura LTROIA y servicio