Qué es el amplificador de clase AB: funcionamiento y aplicaciones

Un dispositivo electrónico capaz de aumentar la corriente, la tensión o la potencia de una señal de entrada determinada se conoce como amplificador. Según la aplicación del circuito, los amplificadores se dividen en amplificadores de tensión y amplificadores de potencia. Los factores importantes de los amplificadores para señales pequeñas y grandes (de potencia) son la linealidad, la amplificación, la eficiencia, la potencia máxima que puede manejar un circuito, la adaptación de la impedancia y la capacidad de manejar niveles de tensión y corriente elevados. La variación de la señal de salida a lo largo de los ciclos positivos y negativos de una determinada señal de entrada depende de la clase de funcionamiento o modo de operación denominada clase de amplificador. Hay cuatro tipos de clases de amplificadores: Clase A, Clase B, Clase AB y Clase C. Este artículo ofrece una breve descripción de las clases de amplificadores amplificador de clase ABesquema del circuito, funcionamiento, aplicaciones, ventajas e inconvenientes.

¿Qué es un amplificador de clase AB?

Un amplificador que se utiliza para superar la distorsión cruzada en el amplificador de clase B se conoce como amplificador de clase AB. La combinación de un amplificador de clase A y un amplificador de clase B da como resultado el amplificador de clase AB. Está diseñado para superar y eliminar los inconvenientes de la baja eficiencia de los amplificadores de clase A y la distorsión de los amplificadores de clase B, y utiliza las ventajas de ambas clases de amplificadores. El esquema del circuito del amplificador de clase AB se muestra en la siguiente figura.

Construcción/diseño de un amplificador de clase AB

El mejor método para diseñar un amplificador con alta eficiencia y baja distorsión es el amplificador de clase AB. La combinación de una configuración de clase B y otra de clase A da como resultado el circuito amplificador de clase AB. De este modo, la etapa de salida de este circuito amplificador combina las ventajas de los amplificadores de clase A y de clase B y reduce los problemas de distorsión y baja eficiencia.

Para el diseño del circuito se consideran los dos transistores T1 y T2. El transistor T1 es del tipo NPN y el transistor T2 es del tipo PNP. Los dos diodos D1 y D2 están conectados en serie para controlar los cambios en la VBE (tensión emisor-base) debidos a la variación de la temperatura, como se muestra en el esquema del circuito. La resistencia R1 se conecta en serie con D1 y la resistencia R2 se conecta en serie con D2.

Operación

Este tipo de circuito amplificador también funciona para pequeñas potencias. Porque el amplificador de clase A funciona para salidas de corriente pequeñas y el de clase B para salidas de corriente altas. Esto se consigue poniendo en prebijo los dos transistores de la etapa de salida del circuito amplificador. En función de la preinhibición y de la corriente de salida, cada transistor conduce entre 180° y 360° con respecto al tiempo. Por tanto, la etapa de salida del amplificador funciona como un amplificador de clase AB.

Consideramos que T1 es el transistor NPN y T2 es el transistor PNP para esta configuración del amplificador, para obtener la señal de salida completa con la combinación de los semiciclos positivo y negativo de la señal de entrada. En esta configuración, la distorsión de cruce puede eliminarse mediante la conducción simultánea de la señal de entrada por los transistores T1 y T2 en el periodo de transición.

Por tanto, en ausencia de una señal de CA de entrada, el transistor puede conducir. Aplicando una pequeña tensión de polarización con los diodos D1 y D2, se observa que el punto de funcionamiento está por encima de la región de corte. En este caso, la amplitud y la fase de la señal de salida son iguales. Por eso los amplificadores de clase AB también se conocen como amplificadores lineales.

Métodos de polarización

Existen varios métodos de polarización de los amplificadores de clase ab para crear rangos de tensión basados en la conducción simultánea de los transistores complementarios utilizados en esta configuración. A continuación se describen los posibles métodos de polarización con sus ventajas e inconvenientes.

Tensión de polarización

Se trata de un método directo, independiente y fácil de aplicar con la tensión de alimentación de un generador de corriente continua o de baterías. Sin embargo, no se implementa en los circuitos reales debido al embalaje y al elevado coste.

Red divisora de tensión

En este caso, la caída de tensión a través de las bases de los transistores estará entre 1,2V y 1,4V (a través de la resistencia total R1+R2). Este valor está relacionado con 2VBE, donde VBE es la tensión de umbral del transistor. Los transistores T1 y T2 pasan la región de corte debido a esta caída de tensión y así conducen simultáneamente una pequeña parte de la señal de entrada.

Este método no está muy extendido y sólo es aplicable a configuraciones específicas de amplificadores push-pull con determinados valores de resistencia y transistores complementarios.

Predisposición de la resistencia

La diferencia entre la polarización por tensión y la polarización por resistencia es que la resistencia ajustable (o potenciómetro) se mantiene entre las dos redes. La principal ventaja de este método es que la polarización de los transistores complementarios (aunque tengan propiedades eléctricas diferentes) se consigue con el control de la resistencia.

Un funcionamiento inadecuado de esta configuración puede dar lugar a variaciones de temperatura debido a la polarización por encima de la región de corte. Por este motivo, se prefiere otro método llamado polarización de diodos.

Polarización del diodo

Los diodos pueden generar una tensión constante de 0,7 V a partir de un determinado valor de corriente. Esta propiedad se utiliza para proporcionar un potencial constante de 1,4 V entre las bases de los transistores T1 y T2. La ventaja de este método es la autorregulación de la caída de tensión en los diodos D1 y D2 ante cualquier variación de temperatura.

El aumento de la temperatura puede reducir la tensión umbral de los diodos y disminuir la polarización de los transistores T1 y T2, provocando un desbordamiento térmico limitado.

Características de funcionamiento

El amplificador de clase AB ofrece linealidad con alta eficiencia y sin distorsión cruzada. En esta configuración, los métodos de polarización se eligen en función del punto de funcionamiento, que incluye el ángulo de conducción intermedio de los amplificadores de clase A y B.

La posición de este punto de funcionamiento se basa en el grado de linealidad y eficiencia. Funciona como un amplificador de clase A si su punto de funcionamiento se acerca al punto de funcionamiento del amplificador de clase A. En este caso, ofrece una alta linealidad con una menor eficiencia.

Las características de funcionamiento de la configuración del amplificador de clase AB se muestran en la siguiente figura. El ángulo de conducción de la señal de salida de este amplificador es superior a 180° e inferior a 360°. La posición del punto Q está por encima de la región de corte. Por tanto, en ausencia de una señal de CA de entrada, el transistor puede conducir.

Aplicando una pequeña tensión de polarización con los diodos D1 y D2, se observa que el punto de funcionamiento está por encima de la región de corte. En este caso, la amplitud y la fase de la señal de salida son iguales. Por esta razón, los amplificadores de clase AB también se conocen como amplificadores lineales.

Consideramos que T1 es un transistor NPN y T2 un transistor PNP para esta configuración del amplificador, con el fin de obtener la señal de salida completa con la combinación de los semiciclos positivo y negativo de la señal de entrada. En esta configuración, se puede eliminar la distorsión de cruce mediante la conducción simultánea de la señal de entrada por los transistores T1 y T2

La eficacia de un amplificador de clase AB viene dada por

Ƞ = π/4. Fuente de alimentación Vac/V

Donde Vac es la fluctuación de CA de la señal de salida. La eficacia máxima depende del valor máximo de Vac y de la posición del punto de funcionamiento.

Si la polarización del amplificador de clase AB se limita al punto de corte, Vacmax = V de alimentación, entonces Ƞmax = π/4 = 78,5%

Si la polarización del amplificador de clase AB se limita al punto de funcionamiento del amplificador de clase A, Vacmax = Vsupply/2, entonces Ƞmax = π/8=39,3%

Si el punto de funcionamiento está cerca del amplificador de clase B (el ángulo de conducción de la señal está entre 180° y 270°), el Ƞmax varía entre el 58,9% y el 78,5%

Para eliminar prácticamente la distorsión cruzada, se aplica una pequeña polarización de reposo a los transistores T1 y T2. Si T1 y T2 son transistores acoplados, la unión emisor-base de cada uno está polarizada con VBB/2, y cuando la entrada Vi=0, el resultado es Vo=0. Por tanto, la ecuación de las corrientes de colector en reposo viene dada por,

Icn = Icp = Is. e^(VBB/2.Vt)

Cuando Vi aumenta, la tensión de base de T1 aumenta y V0 aumenta. El transistor T2 actúa como seguidor de emisor y suministra corriente a RL. Por tanto, la ecuación de la tensión de salida viene dada por

V0 = Vi +VBB/2 - VBEn.

La corriente de colector de T1 viene dada por

Icn = Il + Icp. (Donde se desprecian las corrientes de base)

Ya que Icn debe proporcionar la corriente de carga. Cuando la VBEn aumenta, la VBEp disminuye debido a la VBB constante. La disminución de la VBEn conlleva una disminución de la Icp.

Cuando Vi es negativo, la tensión de base de T2 disminuye y se produce una disminución de Vo. En este caso, T2 actúa como emisor-seguidor y absorbe la corriente de carga.

A medida que aumenta la Icp, aumenta la VBEp haciendo que disminuyan la Icn y la VBEn.

Amplificador de clase AB con MOSFET

El amplificador de clase AB puede diseñarse utilizando un MOSFET para generar una potencia de salida de 100 W para conducir una carga de 8 ohmios. Este tipo de amplificador de potencia está diseñado por su alta eficiencia y su menor distorsión armónica y cruzada. El diagrama del circuito de un amplificador de clase AB que utiliza un MOSFET se muestra en la siguiente figura.

Los componentes necesarios para construir el circuito se muestran a continuación.

• Transistor PNP -BC556 (Q1, Q2)
• Transistor NPN - MJE340 (Q3, Q4)
• Transistor PNP - MJE350 (Q5, Q6)
• E-MOSFET de canal N - IRF530 (Q7)
• E-MOSFET de canal P - IRF9530 (Q8)
• Tensión de alimentación +/- 50 voltios (V1, V2)
• 4kohms -(R1, R4)
• 100ohm -(R2)
• 50kohm -(R3)
• 1kohm -(R5)
• 50kohm -(R6)
• 10kohm -(R7)
• 100ohm -(R8, R9)
• 470ohm -(R10)
• 100ohm -(R11)
• 3kohm -(R12)
• 0.33ohm -(R14, R15)
• 10microfaradios -(C1)
• 18pF -(C2, C3)
• 100nF -(C4)

El circuito funciona según el principio de amplificación de potencia en varias etapas, que consiste en controladores, preamplificadores y amplificación de potencia mediante MOSFETs. El proceso de preamplificación se realiza con un amplificador diferencial, la etapa de conducción con la carga de corriente y la amplificación de potencia con un MOSFET con un amplificador de clase AB.

La principal ventaja de utilizar el MOSFET sobre el BJT (transistor de unión bipolar) es la simplicidad del circuito conductor, la menor susceptibilidad a la estabilidad térmica y la alta impedancia de entrada. En el proceso de preamplificación, el preamplificador produce la señal amplificada sin ruido con la ayuda de un circuito amplificador diferencial de dos etapas. La primera etapa del preamplificador está en modo diferencial y utiliza un amplificador acoplado a emisores con transistores PNP.

La segunda etapa es un circuito amplificador diferencial con una carga activa para ayudar a mejorar la ganancia de tensión. Para garantizar que la corriente de salida permanezca constante con respecto a los cambios en las señales de tensión de entrada, se utiliza el circuito de espejo de corriente. La señal de entrada amplificada se envía a la etapa de amplificación de potencia de clase AB para producir una señal de salida de alta potencia.

El amplificador de clase AB que utiliza un MOSFET se denomina circuito amplificador de alta fidelidad, adecuado para diversas aplicaciones como amplificadores de teclado, amplificadores de uso general, amplificadores de guitarra y amplificadores de subwoofer. Produce una baja distorsión de alrededor del 0,1%, un factor de amortiguación de >200, una sensibilidad de entrada de 1,2V con un ancho de banda de 4Hz-4KHz.

Cálculo de la potencia de los amplificadores de clase AB

La potencia total de un amplificador de clase AB se calcula a partir de la potencia de entrada y la potencia de salida.

Potencia de entrada

Se refiere a la cantidad de potencia suministrada a la carga por el amplificador de clase AB desde la fuente de alimentación. También se conoce como energía DC.

Se calcula a partir de, Pi(dc) = Vcc. Idc

La cantidad de corriente que consume cada transistor es similar a la corriente de una señal de onda completa. Por lo tanto,

Idc = 2/π.I(pico)

Así, la fórmula de la potencia total de entrada viene dada por

Pi(dc) = Vcc. 2/π. I(pico)

La cantidad de corriente que consume cada transistor para una señal de media onda es igual al valor medio de la media señal.

Icc = Ic(sat) / π

Pi(dc) = Ic(sat) Vcc/π

Potencia de salida o potencia de CA

La potencia máxima de salida a la carga se calcula a partir de,

Pout = Iout(rms) x Vout(rms)

Corriente de salida Iout(rms) = 0,707Iout(pico) = 0,707Ic(sat)

Tensión de salida Vout(rms) = 0,707Vout(pico) = 0,707VCEQ

Por tanto, la potencia total de salida se calcula a partir de,

Pout = 0,5Ic(sat) x VCEQ

Sustituye VCEQ = VCC/2. La potencia máxima de salida es entonces,

Pout = 0,25Ic(sat) x VCC

Donde VCEQ= tensión máxima de salida de un amplificador de clase AB con alimentación simple o doble.

Ic(sat) = corriente de salida máxima de un amplificador de clase AB

O

Pout=Vl^2/Rl=Vl^2(pico) /2Rl = Vl^2(p-p) /8Rl

Eficiencia del amplificador de clase AB

La eficiencia de los amplificadores de clase AB es alta comparada con la de los amplificadores de clase B y clase A. La polarización del amplificador de clase AB elimina la distorsión cruzada
La eficiencia se define como la relación entre la potencia de salida de CA y la potencia de entrada de CC. Se denota con "Ƞ"

Ƞ = Pout/Pdc

Sustituye Pout = 0,25.Ic(sat) Vcc

Pdc = Ic(sat) / π

Por lo tanto,

El rendimiento máximo de un amplificador de clase AB será

Ƞ = Pout/Pdc

Ƞ= 0,25.Ic(sat) Vcc/ [(Ic(sat) Vcc) /π]

Ƞ= 0,25π

Ƞ= 78.5%

Amplificador de potencia de clase AB: problemas resueltos

Ejemplo 1: Considera el siguiente esquema de un circuito de un amplificador de potencia de clase AB con polarización de diodos con una resistencia de carga de 8 ohmios, una potencia de salida con carga de 5 W, una tensión de salida de pico que no supere el 80% de VCC y un valor mínimo de Id (<5mA). Suponemos, para T1 y T2, Isq = 10^-13, β = 75 y para los diodos D1 y D2, Isd = 3X10^-14 A.

Determina lo siguiente.

A) Ibias (corriente de polarización) y VCC

B) Corriente de reposo del colector

C) Icn (corriente de colector del transistor NPN) e Icp (corriente de colector del transistor PNP) para el valor de pico positivo de la tensión de salida.

Solución:

A).Ibias (corriente de polarización) y VCC

Vo(rms) = √(Pl.Rl = √(5×8)= 6,32V

Vo(pico) = √2Vo(rms)

= √2×6.32 = 8.9V

Supongamos que Vcc = 12V

Vcc = Vo(pico) /0,8 = 11,8 V

Para mantener el flujo de corriente mínimo de 5mA a través de los diodos D1 y D2,

Ibias = Ibn + Id = 14,7+5=19,7mA

Supongamos que Ibias = 20mA

B). Corriente de reposo del colector

En condiciones de reposo Id = 20mA, Vi= 0, y descuida Ibn

VBB = 2Vt ln(Id/Isd) = 2×0,0026 ln[(20X10^-3)/(3×10^-14) ] = 1.41V

Supongamos que T1 y T2 son transistores

VBEn = VBEp = VBB/2 = 0,70V

Por lo tanto,

Icq = Isq. e^(VBB/2Vt)

= 10^-13.e^(0.70/0.0026)

Icq = 67mA

C) En el pico positivo de la tensión de salida

Ien(máx) = Il(pico) = 1,12mA

Ibn(máx) = 14,7mA

Id = Ibias - Ibn(max)

= 20-14,7 = 5,3mA

Ahora,

VBB = 2×0,0026ln[(5.3×10^-3) / (3×10^-14) ] = 1.34V

Icn(máx) = β/(1+β) = 75/(1+75) = 1,10A

VBEn = Vt. ln (Icn(máx) /Icq)

= 0,0026 ln (1,10/10^-13) = 0,78V

VBEp = VBB-VBEn

= 1.34-0.78 = 0.56V

Icp = Isq. e^(VBEp/Vt)

= 10^-13 e^(0.56/0.0026)

= 0,28mA

Por tanto, si la tensión de salida está en su valor de pico positivo, entonces

Icn = 1,10 A e Icp = 0,28 mA

Ejemplo 2: Considera el anterior circuito amplificador de clase AB con Vcc = 25V y Rl = 4ohm. Calcula la potencia de entrada, la potencia de salida, la potencia manejada por T1 y T2, y la eficiencia de la tensión de entrada de 12V (rms).

Solución: Dado Vcc = 25V, Rl = 4ohm

Tensión de entrada Vi(rms) = 12V

Tensión de entrada Vi(pico) = √2Vi(rms)

= √2×12 = 17V

Si se considera que el punto de funcionamiento está en la región de corte, la tensión de entrada máxima es igual a la tensión de carga en su punto máximo

Vi(pico) = Vl(pico) = 17V

Corriente de carga Il(pico) = Vl(pico) /RL

= 17/4 = 4,25 amperios

Idc = 2/π Il(pico) = 2/π x 4,25 = 2,71 Amperios

Potencia de entrada Pi(dc) = Vcc/Idc

= 25/4.25= 67.75W

Potencia de salida Po(ac) = Vl^2(pico) /2Rl

= 17^2/(2X4) = 36,12W

La potencia disipada por cada transistor es,

P = Pt/2 =( Pi - Po) / 2 = (67,75-36,12) /2

= 15.8 W

Eficiencia Ƞ% = Po/Pi x 100

= 36.12/67.75 x 100

= 53.3%

Ventajas y desventajas

El ventajas de un amplificador de clase ab incluyen lo siguiente.

• La principal ventaja del amplificador de clase AB es la eliminación de la distorsión cruzada.
• Ofrece una alta eficiencia y amplificación de la señal en comparación con el amplificador de clase A
• Es un amplificador lineal porque la amplitud y la fase de la señal de salida son iguales a las de la señal de entrada
• Se prefiere para radios, sistemas de sonido y receptores de TV.
• Ofrece una alta eficiencia y una respuesta de alta frecuencia
• Menor distorsión armónica

El desventajas de un amplificador de clase ab incluyen lo siguiente.

• En la práctica, la eficiencia del amplificador de clase AB es menor que la del amplificador de clase B
• La construcción del circuito es compleja
• El coste es elevado
• Una polarización inadecuada produce picos en la señal de salida, lo que provoca una distorsión en el cruce.

Aplicaciones

El aplicaciones de los amplificadores de clase abr incluyen lo siguiente.

• Se utiliza en los amplificadores de audiofrecuencia (AF) de los televisores
• Se utiliza en sistemas de megafonía
• Se utiliza en los receptores de TV
• Se utiliza en los receptores de radio
• Se utiliza en los reproductores de CD.
• Se utiliza en sistemas de comunicación por satélite y otros sistemas inalámbricos

Se trata, por tanto, de una visión general de la clase AB amplificador - definiciónel circuito, el amplificador de clase AB con MOSFET, la derivación de la potencia y el rendimiento, las aplicaciones, los problemas resueltos, las ventajas y los inconvenientes. Aquí tienes una pregunta: "¿Cuál es la diferencia entre los amplificadores de clase A, clase B y clase C? "