Son elementos que trabajan como una re- sistencia variable, y que se conectan entre la fuente de CD y la carga (las bocinas). De hecho, son unas válvulas activas.
Una pequeña señal de entrada, causa un aumento considerable de la corriente que viaja de la fuente de CD a la carga.
En comparación con la corriente de en- trada, la corriente que fluye es controlada por el transistor unas 50 a 100 veces más. Para incrementar la ganancia, se pueden conectar dispositivos en cascada; y así, la salida del primero de ellos controlará a la entrada del segundo. Esto se hace cuando se requiere de ganancias considerablemen- te altas.
Existen diferentes formas de conectar los transistores en cascada; para tratar este tema a fondo, tendríamos que hacer un artí- culo extenso; por tal motivo, sólo describi- remos algunas cuestiones básicas. Veamos:
Punto 1
Existe al menos un grupo de transistores de salida, que se montan en grandes disipadores de calor. Estas salidas se con- trolan por medio de transistores mucho más pequeños, denominados drivers (excitado- res); también es común encontrar pre- drivers, que son transistores de pequeña señal (o mejor aún, amplificadores operacionales u op-amps).
De manera ideal, la corriente de salida es una réplica magnificada de la pequeña corriente de entrada; pero por numerosas razones, la corriente de salida hacia la car- ga no es exactamente igual a la de entra- da; es decir, se distorsiona. La más obvia de las razones, es porque ocurre el llama- do “clipping”; esta distorsión ocurre, cuan- do el voltaje que circula por la carga se aproxima demasiado al voltaje máximo de CD entregado por la fuente; y a su vez, esto provoca que el transistor se sature.
Punto 2
Otra forma de distorsión menos percepti- ble, se presenta cuando los transistores carecen de una ganancia uniforme; esto varía, dependiendo de la temperatura de operación y de las diferencias del flujo de corriente. A todos estos efectos, se les de- nomina “no-lineales”; más adelante, expli- caremos cómo se minimiza la distorsión.
Punto 3
Los transistores son dispositivos de una sola vía; es decir, sólo pueden manejar co- rrientes positivas o negativas. Debido a esto, para proporcionar la forma de onda
Nivel de pre-amplificación
0.1V
Nivel de línea 1V Nivel de línea 1V de bocina 100VNivel Pre-
amplificación Procesador de señal Amplificador
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de la señal de audio exacta, se tienen que conectar en un solo punto dispositivos que manejan corrientes positivas y dispositivos que trabajan con corrientes negativas.
Esta operación, llamada push-pull, es la base del funcionamiento de los amplifica- dores de alta potencia; existen diferentes maneras de combinar las corrientes de push-pull.
Punto 4
La pérdida de potencia por calor, es otra situación que se presenta cuando conecta- mos transistores en cascada. Al principio del artículo, vimos el ejemplo de un circui- to amplificador que entrega 40 voltios a una carga de 8 ohmios con una corriente de 5 amperios.
Este circuito es alimentado por una fuen- te de 100 voltios; pero como dijimos, la car- ga de 8 ohmios sólo demanda 40 voltios; y dado que la corriente es de 5 amperios, se obtiene al final una potencia de 200 watts. En su viaje hacia la carga, estos 5 amperios atraviesan el transistor amplificador; y al mismo tiempo, los 60 voltios que no se con- sumieron aparecen a través del transistor. Se forma entonces una combinación de 5 amperios y 60 voltios en el transistor; y multiplicando estos valores, se obtiene una potencia de 300 watts que son totalmente desperdiciados (figura 18).
Punto 5
Una ley de la Física, dice que “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. Y como sólo deseamos que la potencia ten- ga cierta potencia (200 watts), la energía excedente (que no se usa) tiene que enviarse a algún lado; es desechada, en forma de calor. Esto demuestra que la pérdida de potencia en transistores, fácilmente puede exceder la potencia entregada a la carga.
Este desperdicio en forma de calor, obli- ga a usar en los amplificadores de poten- cia unos disipadores de gran tamaño; sólo así, podrá eliminarse el calor innecesario; y si esto no se hace, los transistores se da- ñarán irremediablemente.
Punto 6
Con respecto a los diferentes métodos para conectar en cascada los transistores en amplificadores, sólo diremos que los tran- sistores de salidas push-pull pueden com- binarse de distintas maneras para contro- lar el grado de distorsión o las pérdidas por el calor generado.
Estas categorías, a las que se llama “cla- ses de amplificación”, fueron definidas hace muchos años. Probablemente, usted ha oído hablar de la clase A, de la clase B, de la clase AB, etc.
Clase A
Es la más fácil de entender (figura 19). En este caso, tanto el semiciclo positivo como el semiciclo negativo de la señal se sumi- nistran a un solo grupo de transistores; y estos componentes se polarizan, cuando la señal de salida es cero por causa de una corriente de reposo –también conocida como “ociosa”– que se sitúa a la mitad del camino; es decir, entre el valor cero y el valor máximo.
40 V 8 Ohm
200W
E desperdiciado = 100V (E de alim) - 40V (voltaje utilizado por la carga) = 60V W desperdiciada = I * E = 5 * 60 = 300W
I = E ÷ R = 40 ÷ 8 = 5 Amps (fluyen por la carga y el amplificador Datos : E de la fuente = 100 V I = 5 amps
Si la corriente de audio aumenta en un transistor, dismi- nuye en el otro; y por lo tanto, el vol- taje circula en am- bos dispositivos. Y al conectar un solo transistor a una bo- cina, se escuchará un sonido de baja calidad; esto se debe a que el cono
está siendo obligado a permanecer a la mitad de su recorrido (por la corriente ocio- sa), y a que se genera un calentamiento de la bobina de voz.
Cuando se conectan ambos transistores a la bocina, la corriente de reposo de uno de ellos es absorbida por el otro.
La principal ventaja de la clase A, es su mínima distorsión; y es que la totalidad de la forma de onda, se preserva tanto en los transistores positivos como en los negati- vos; y no existe ningún truco de combina- ción de sus corrientes. Pero existe un gra- ve problema: la enorme pérdida de potencia
en los transistores, causada por el calor y por la corriente de reposo. De hecho, los transistores se mantienen más calientes en estado de espera que durante su trabajo pleno; equivale a tratar de controlar la ve- locidad de un automóvil, oprimiendo el pedal del freno mientras el motor está ace- lerado al máximo.
Por supuesto, existen mejores métodos para mantener una baja distorsión sin tan- ta pérdida de energía.
Clase B
Sólo siendo cuidadosos, podremos hacer que cada transistor controle únicamente la mitad de la forma de onda que le corres- ponde (figura 20). Cuando las formas de ondas se combinan apropiadamente, es posible mantener la forma de onda de sali- da; pero a cambio de esto, se elimina la corriente de reposo.
El amplificador trabajará más frío, si la potencia se aplica sólo cuando realmente se requiere; desde luego, el truco consiste en tener una baja distorsión. Pero si la for- ma de onda no se une perfectamente, ten- dremos una distorsión de cruce por cero (llamada frecuentemente “distorsión crossover” o entrecruzada).
Este tipo de distorsión se aprecia en par- tes de la música casi silenciosa, cuando precisamente la señal se encuentra cerca de cero. Por suerte, existen varias formas de eliminar este problema; uno de los mé- todos que más se usan para esto, consiste en hacer trabajar al amplificador entre la clase de amplificación A y B; es una clase combinada, a la que se conoce como AB (figura 21). Con una pequeña corriente de reposo que esté fluyendo, se producirá sólo un pequeño calentamiento por reposo; de paso, serán eliminados los espacios muer- tos entre la unión de los semiciclos positi- vos y negativos. + - I de pico Clase A V + _ Clase B
Transistor 1 Transistor 1 Transistor 1
Transistor 2 Transistor 2 Transistor 2 Distorsión
cruce por cero
Figura 19
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Clase G
En esta clase de amplificación, dos o más grupos de transistores se conectan a dife- rentes fuentes de alimentación (figura 22). La meta es reducir la pérdida por calenta- miento, que normalmente sucede en las clases A y B.
Seguramente, usted recuerda aquel ejemplo de una fuente que suministraba 100 voltios, de los cuales sólo se requerían 40 para la carga; esto significa que 60 vol- tios se perdían,
porque no eran utilizados por los transistores de salida para gene- rar potencia de audio.
En la clase G, un grupo de tran- sistores se conec- ta a una de las lla- madas “fuentes simétricas”; se trata de fuentes de bajo voltaje (por ejemplo, 60 voltios), que son
suficientes para obtener el valor de salida que se requiere en condiciones de bajo y medio volumen.
Un segundo grupo de transistores conec- tados a los 100 voltios proporcionados por fuentes simétricas del mismo voltaje, reci- biría señales que también demandan cier- ta potencia (40 voltios); y sumando esto a los requerimientos del primer grupo de dis- positivos (40 voltios), al final sólo se des- perdiciarían 20 voltios del total de 100 pro- porcionados por la fuente alimentación. De esta manera, se reduce hasta en un 50% la pérdida de energía.
Para hacer este tipo de arreglo, deben solucionarse dos problemas: La correcta transferencia de, la señal a los transistores de bajo voltaje; y después, unirla con la se- ñal de los transistores de alto voltaje. Ade- más, se producen ciertos “glitches” (pulsa- ciones o flancos) similares a la distorsión de cruce por cero; de hecho, la serie de amplificadores de la marca QSC denomi- nada MX, y los equipos Crown de la serie Macrotech, hacen uso de esta clase ampli- ficación.
Clase H
En este tipo de arreglo, se emplea un solo banco de transistores de salida que va co- nectado a una fuente de voltaje bajo; pero este voltaje se conmuta a alto, cuando así se requiere (figura 23). Estamos hablando entonces, de un dispositivo que detecta el momento en que la señal de audio se aproxima a cierto nivel; y para evitar la sa- turación por falta de voltaje en los transis- tores de salida, conmuta un interruptor electrónico (un transistor bipolar o un MOSFET) para que permita el paso de un voltaje más elevado desde la fuente de ali- mentación hasta los transistores.
Al igual que en el caso de la clase de amplificación G, en este equipo existen cua-
+
_ Clase A/B
V
Transistor 1
Transistor 2 Transistor 2 Transistor 2 Transistor 1 Transistor 1 Conducen ambos + V - V 2 2 - V 1 + V 1 V Clase G Figura 21 Figura 22
tro fuentes de alimentación: una positiva y una negativa de bajo voltaje, y una positi- va y una negativa de alto voltaje (figura 24).
Este método, ofrece
Los beneficios térmicos y de eficiencia de este método, son iguales a los que se obtienen con la clase de amplificación G; y como no implica la utilización de un segun- do banco de transistores de salida de po- tencia, permite reducir el costo y el tama- ño final del propio amplificador.
OUT +V H -V H Entrada Detector de nivel de audio +V L -V L Clase H CA principal Transformador Filtros Puente rectificador +Voc 2 +Voc 1 -Voc 1 -Voc 2 +Voc 2 +Voc 1 -Voc 1 -Voc 2 Arreglo de fuente de poder para amplificador clase H
Suministro clase "H"
Figura 23
Figura 24
El único grupo de transistores requerido por el arreglo H, recibe un voltaje de ali- mentación bajo; y sólo se conmuta a volta- je alto, cuando las condiciones de volumen lo requieren. La compañía QSC, es pionera en la construcción de sistemas de alta po- tencia de audio; utiliza esta clase de ampli- ficación, en sus amplificadores de la serie MXa. También en algunos modelos de equi- pos domésticos Aiwa y Panasonic, se apli- ca esta tecnología de amplificación.