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Introducción 1

La generación de calor en los transistores de salida 2

Circuito de la etapa de salida push – pull 3

La distorsión por cruce 5

La máxima excursión de salida 6

El capacitor de bostrap 7

La realimentación negativa de CC y de CA 8

Montajes 10

Conclusiones 17

La salida de Potencia es la etapa

mas castigada por un transistor, enprimer lugar por su propia función, yen segundo lugar, por el trato pocogeneroso que a veces reciben losequipos. Cualquier técnico que lea estocoincidirá en que una buena parte delas averías que llegan a los tallereselectrónicos están en los finales. Altasestacionarias, prolongados tiempos detransmisión o ajustes excesivos depotencia suelen ser las causas derotura de los imprescindiblestransistores de salida.

Estos pueden sermontados en diferentes disposiciones.Nos centraremos en los llamadostransistores contrafasicos, unadenominación que, a pesar de ser ennuestro idioma, es muy poco utilizadaya que es mas común leer el terminopush–pull. Esta formación estaconstituida por dos transistores, ycada uno de ellos tiene como misión laamplificación de una única fase de laseñal entrante, de modo que cuandouno esta realizando sus funciones elotro descansa, y al revés, cuando elque estaba en corte empieza

a funcionar, el otro pasa a reposo,consiguiéndose la ampliación de laentrega de corriente. Con esta formade trabajar (empuja-tira) se consigueuna mayor durabilidad teórica al estarsometido a la mitad de fuerza que sifuese un solo transistor.

En la grafica vemosuna disposición clásica en push-Pull.Hay dos transistores iguales, pero unode ellos NPN y el otro PNP. Lapatilla base de cada uno de ellos recibela señal. Veamos el funcionamiento:El transistor de la parte superior, quehemos llamado Q1, va a tener unapolarización directa en los semiciclospositivos. Mediante RL las señales deentrada y salida estarán en fase.Contrariamente, en los ciclosnegativos se pondrá en corte y debidoa ese descanso no se registraraninguna señal e la salida. Losa dostransistores están configurados de talmodo que las dos salidas, 180 gradosdesfasadas una respecto la otra, secombina. Como ya hemos comentado,los efectos son mas beneficiosos que enel caso de utilizar un único transistor

La disposición push – pull es un tipo de circuitoElectrónicos que puede conducir una corrientePositiva o negativa en una carga. Se utiliza entreOtros dispositivos, en los amplificadores.Generalmente esta conformada por una Pareja detransistores, uno disipando la corriente Desde lacarga a tierra o una fuente negativa, Y el otrosuministrando la corriente a la carga Desde unafuente positiva. Es así por lo que se representanColocados verticalmente.

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Vamos a analizar los amplificadores de audiodesde lo más simple a lo más complejo. El audioes un tema muy especial porque es el primercircuito complejo con el que suele experimentarun estudiante. Por complejo nos referimos a quetiene mas de 5 transistores o un circuitointegrado.Y lo mas simple que vamos a analizar en estaentrega es una etapa de salida push-pull(literalmente: tira y afloja) a transistoresbipolares. Vamos a dejar de lado losamplificadores a transformador (técnicamenteClase A) porque ya no se utilizan en ningúnequipo dado su bajo rendimiento.

La generación de calor en los transistores desalida

En los transistores de salida con unpotenciómetro, el problema de los mismos, es quenunca se llegan a cerrar o a abrir del todo yentonces cuando circula la corriente que opera alparlante se calientan debido a que cuandocircula una corriente por un resistor se generapotencia eléctrica y por lo tanto calor. Y dondehay calor hay perdida de rendimiento.La potencia de la fuente de poder no setransforma solo en energía sonora; parte setransforma en calor. Los rendimientos clásicosde una etapa de salida están tan solo en el 60%aproximadamente.

Esto no solo significa que la fuente debe entregarmas energía, sobre todo implica que los elementosque desperdician esa energía transformándola encalor son precisamente los mas caros de unamplificador: los transistores de salida y que elúnico modo de protegerlos es montándolos sobredisipadores de aluminio que son caros yvoluminosos.

Pero para que un transistor se pueda montarsobre un disipador debe ser un transistor especial.Debe tener una superficie de montaje plana quehaga un buen contacto mecánico con el disipadory entonces pasan a llamarse transistores depotencia. En la figura 1 se pueden observar losdos tipos mas comunes de transistores de potenciaque existen en el momento actual.

Fig. 1 Encapsulados clásicos de transistores de potencia

•Observe que en ambos casos los transistores tienenuna o dos perforaciones que permiten montarlossobre un disipador de aluminio.•La superficie de montaje suele estar conectada alcolector (por lo menos en los dos tipos deencapsulados que mostramos) de modo que si eldisipador esta conectado a tierra, o vamos a usar elmismo disipador para montar dos componentes sedebe realizar un montaje que los aísle eléctricamentey los acople térmicamente al disipador.•Por lo general se utilizan aisladores de mica o deplástico conductor del calor y niples de plástico paralos tornillos de modo que los colectores que estánconectados a la carcaza en el TO3 o a la chapita demontaje del TO220 queden eléctricamente aislados ydisponibles para el circuito.

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Circuito de la etapa de salidapush – pull

En la figura 2 mostramos el circuito masbásico posible de una etapa de salida de audiocon fuente positiva solamente conectada a ungenerador de funciones lista para excitar unparlante.

Fig.2 Amplificador de potencia básico excitado por un generador de funciones

Analizando el circuito se observa que consta dedos transistores de potencia complementarios: Q1que es un NPN y Q2 que es un PNP. Q1 seencarga de hacer circular corriente desde la fuenteal parlante cargando además a C1 y Q2 se encargade hacer circular corriente desde el parlante a masadescargando al capacitor C1.

La palabra cargar y descargar es aquíprácticamente metafórica; porque realmenteC1 se carga y descarga muy poco durantecada ciclo (la tensión sobre él prácticamenteno varía) aun a la frecuencia mas baja quepuede reproducir el circuito y que se estimaen unos 25Hz. Pero el concepto debe quedarbien claro: C1 se carga desde la fuente y sedescarga a masa aunque solo sea unos mV.

El encargado de excitar a estostransistores es el llamado transistor driverQ3 (la traducción literal de driver esconductor o chofer, es decir el que manejaalgo pero preferimos dejar el término enIngles).

En nuestro circuito inicial la fuente depolarización es el mismo generador defunciones, que tiene la posibilidad de variartanto la alterna como la continua de salida.Para comenzar colocamos una señal muypequeña de entrada (1 mV o menos) ymedimos la tensión de salida ajustándola en6V por modificación de la tensión de offsetdel generador.

Luego podemos levantar la señal alterna lentamentey observar con un osciloscopio sobre la salida que lamisma se genera sobre un eje de continua de 6V. Verla figura 3 en donde se puede observar que con 100mV de señal de entrada se obtiene una señal desalida que oscila entre 2,68 y 9,14V. es decir unos3,2V de pico lo cual implica una ganancia de unas 32veces en tensión. Pero lo mas importante es que laimpedancia de salida del amplificador essuficientemente baja como para alimentar a unparlante de 8 Ohms.

Fig.3 Oscilograma de salida del amplificador elemental

Podemos observar que la señal de salida esaceptablemente senoidal sin embargo tiene unadistorsión cerca del punto donde la salida se cruza conlos 6V de polarización que vamos a analizar y corregiren el apartado siguiente.

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La distorsión por cruce

La distorsión por cruce se puede apreciarmejor si reducimos la señal de entrada y ademásacoplamos el osciloscopio a la alterna parapoder aumentar la sensibilidad. Al mismotiempo y para entender porque se producevamos a conectar el otro haz del osciloscopio enlas bases de los transistores de salida.

Fig.4 Oscilograma detallado de la distorsión por cruceEn verde se puede observar la señal en

las base en tanto que en rojo se puede observarla señal de salida (emisores). Observe que elcursor de lectura rojo del osciloscopio se ajustóa un valor de tensión de entrada de unos 530mV positivos y que recién en ese valorcomienza a aparecer tensión en los emisores dela salida debido a la barrera base emisor deltransistor Q1.

Algo similar ocurre en el semiciclo negativo endonde el cursor de lectura azul se ajustó en elpunto en que la tensión de las bases es -530 mV.

En síntesis podríamos decir que ladistorsión por cruce se produce porque en ciertomomento no conduce ni Q1 ni Q2.

Y ese momento es precisamente cuando laseñal de entrada pasa por cero. Esta es una fallade todos los amplificadores a transistoresbipolares y se podría solucionar colocando unabatería entre las bases en lugar de un puente. Eloscilograma nos indica que si colocamos unabatería de 530 + 537 mV entre las bases, apenasdeja de conducir un transistor comienza aconducir el otro y desaparece la distorsión porcruce.

Fig.5 Circuito con la distorsión por cruce corregida con una pila

En la figura 6 se pueden observar lososcilogramas de base de Q1 y de emisores endonde la distorsión desapareció por completo.

Fig.6 Corrección de la distorsión por cruce usando una batería

Sin embargo es evidente que se trata de unasolución poco práctica por dos razones. Labatería es un componente que debe reponerse yademás la compensación es dependiente de latemperatura porque como ya sabemos lasbarreras de los transistores varía a razón de -2,5mV/ºC. La solución debe ser práctica y debeestar compensada en temperatura. Existe mas deuna solución pero la mas completa consta de unpreset y un transistor BC548 conectado según elcircuito de la figura 7.

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Fig.7 Corrección de la distorsión por cruce utilizando un transistor y un preset

La idea es generar una tensión entre colector yemisor de Q4 que reemplace a la batería. Perocomo esa tensión ahora es ajustable se realiza lamedición de corriente de colector de Q1 (que enrealidad es prácticamente igual a la corriente porQ2) con el miliamperímetro del tester, a un valorde unos pocos miliamperes, para asegurarse quecuando la señal de entrada este dentro de la fajade 0 a 550 mV los dos transistores conduzcan unapequeña corriente.

Revisando el oscilograma de salida y de basede Q1 encontramos que es igual al de la figura 7.Este circuito está además compensado entemperatura porque cuando

baja la barrera de los transistores de salida tambiénbaja la barrera de Q4 y este conduce una mayorcorriente de colector achicando la tensión entre lasbases. Solo hay que tener la precaución de poner aQ4 en contacto térmico con el disipador de lostransistores de salida para que los tres transistoresestén a la misma temperatura

La máxima excursión de salida

Para obtener el mejor rendimiento de unamplificador es necesario que pueda sacar unasalida pico a pico igual a la tensión de fuente conla cual se alimenta. Pero ese es un máximo teóricoinalcanzable. Si observamos el circuito básico de lafig. 5 podremos notar que la salida podrá llegarhasta el valor de fuente. Solo podrá llegar hastadonde lo permita la resistencia interna deltransistor.

Cuando la salida llega al máximo circula lamáxima corriente por la carga y se produce unacaída de tensión en Q1 igual a la resistencia desaturación del transistor multiplicada por lacorriente que circula. La tensión de fuente menosesa caída es el máximo valor al cual puede llegar latensión de salida del amplificador.

La salida mínima está aun en peor condiciónporque a la resistencia interna de Q2 se le sumaotro problema. La base de Q2 solo puede llegar acero volt cuando Q3 esta saturado y por lo tantoel emisor de Q2 quedará 600 mV por arriba de esevalor.

Vamos a realizar ahora una simulaciónaumentando la señal de entrada para ver a queniveles reales llega la salida (máximo y mínimo)pero vamos a dejar el osciloscopio conectadotambién en la base de Q1 para entender cual es elproblema que limita la tensión de salida.

Fig.8 Tensión de salida máxima del amplificador

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Como podemos observar en la figura 8 latensión de salida en rojo llega hacia abajohasta alrededor de 1V, que es el valorteorizado, pero hacia arriba no llega a superarlos 9,5V (señal roja o gris oscura en ByN).Pero también observamos que la señal de baseno supera los 10,2V y por lo tanto no se puedeesperar que la de emisor crezca mas.

El limite la base de Q1 podría llegar a 12V sila base del Q1 no tomara corriente. Pero labase de un transistor de potencia tomabastante corriente porque son transistores quedifícilmente tengan un beta mayor a 30 y porlo tanto requieren una buena corriente deexcitación.

El capacitor de bostrap

El problema se solucionaría conectando elresistor R1 a una tensión mayor (de unos 15Vpor ejemplo) para que la base de Q1 pudierasubir hasta los valores deseados. Perogeneralmente esa tensión no existe y por lotanto se recurre a generarla en el mismocircuito utilizando la misma tensión de salida.

El circuito se completa con un resistor y uncapacitor que tiene nombre propio: el capacitor debostrap (literalmente “atraparse los propiospies”). Apenas se conecta el circuito a la fuente,aun sin señal la tensión en la unión de losresistores de colector de Q3 se genera una tensiónde 9V (6V en la pata inferior de R1, 12V en lapata superior de R4 y por lo tanto 9V en la uniónde los resistores). El capacitor se carga con 3Vporque la salida tiene 6V y el punto de unión delos resistores 9; y como es suficientemente grandepara no descargarse en todo el ciclo de trabajomantiene a la unión de los resistores en Vs+3(tensión de salida mas 3 voltios). Cuando latensión de salida es la máxima llega a los 15V yasegura la saturación de Q1.

Fig.9 Agregado del circuito de bostrap

Como se puede observar ahora la tensiónpuede subir hasta prácticamente 12V y bajarhasta 1V, porque los dos resistores partidosde colector R1 y R4 y el capacitor de bostrap,generan una tensión en la unión de losresistores que tiene un pico máximo de unos15V y por lo tanto Q1 se puede saturar sininconvenientes. Note que al aumentar latensión de fuente de R1 nos vimos obligadosa bajar el valor de R2 para que el driver Q3pudiera llegar a la saturación aumentando sucorriente de base.

En este punto parecería que el circuitoya está funcionando correctamente pero auntiene varios problemas. El primero es que sepolariza desde una fuente externa (elgenerador de funciones) y el segundo es quela señal parece bastante deformada.Inclusive hay un tercer problema que es lainestabilidad de la tensión de salida sinseñal. La tensión de salida (6V en nuestrocaso) no debe variar con la temperatura ynuestro circuito no tiene nada que laestabilice (y los transistores se calientanbastante mas que la temperatura ambiente).

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La realimentación negativa de CC y de CA

La fuente de alimentación de la base deQ3 podría colgarse desde la fuente de 12V.Quizás serviría un simple resistor queponga la salida en 6V. Pero tambiénpodría tomarse desde la salida misma si setiene la precaución de filtrar la tensiónalterna que esta tiene.

Esto asegura la estabilidad de corrientecontinua del sistema contra variaciones detemperatura. En una palabra se forma loque se llama un lazo de realimentaciónnegativa. Imagínese que por cualquierrazón, al calentar al dispositivo, la tensióncontinua de salida baje de 6 a 5 V. Elresistor de polarización, al tener menostensión hace circular menos corriente por labase del primer transistor. Esto implicamenos corriente por el colector del mismo ypor lo tanto una suba de la tensión decolector. Al subir la tensión de colectorsube también la tensión de salida ycompensa la reducción original.

Fig.10 Autopolarización con realimentación negativa

El ajuste de la tensión de salida en 6V se realizóaquí por modificación de la resistencia R5.Observe que primero se bajó la señal de entradapara que la tensión de salida sea prácticamenteuna continua. Si simplemente agregamos elresistor R5 el circuito tiene resuelto el problemade la estabilidad de CC pero sigue persistiendo ladistorsión que marcamos en el circuito original.La distorsión se debe a la característica lineal delos transistores; el fabricante trata defabricarlos lo mas lineales que pueda, pero hayconsideraciones físicas

imposible de salvar lo cual nos obliga a utilizaralguna solución similar a la utilizada paraestabilizar el circuito contra las variaciones detemperatura. ¿Se puede diseñar unarealimentación negativa que mejore la distorsión?Se puede y está agregada al circuito en paralelocon el resistor R5. Observe que se agregó R6, peropara no alterar la autopolarización con esteagregado se colocó C4 que bloquea la CC de lasalida, de modo que no pase por R6. Por R6 solopasará la CA con destino a la base de Q3 y si loanalizamos con detalle estamos agregando unaseñal que se opone a la señal de entrada.

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En efecto cuando la señal de entrada sube, la señal decolector de Q1 baja y por lo tanto baja la salida. La salida serenvía a la entrada formándose un divisor de tensión entre R5y R2 que a los efectos de la realimentación de CA es como siestuviera conectado a masa debido a que C3 tiene un valor decapacidad elevado y el generador tiene una resistencia internacasi nula. Una consecuencia de esta realimentación negativa esla reducción de sensibilidad del amplificador, pero el efecto dela realimentación reduce enormemente la distorsión como sepuede observar en el oscilograma de la figura 11.

Fig.11 Introducción de la realimentación negativa

Aquí podemos observar que ahora debemosaumentar la señal de entrada de 60 mV a660 mV es decir casi 10 veces paracompensar la realimentación negativa deR6. Pero la señal de salida es perfectamentesinusoidal (salvo los recortes de los picos quedesaparecen si bajamos un poco la señal deentrada). La consecuencia (reducir ladistorsión) es la buscada pero en realidadaun no sabemos porque se produce.

Se produce por una sencilla razón. Laseñal de entrada colocada en el extremoizquierdo de R2 es perfectamente sinusoidal.La señal de salida colocada en el extremoderecho de R5 también sería sinusoidal si elamplificador fuera perfecto. En este caso enla base de Q3 tendríamos una resta deseñalesVb = Ve – K . Vsen donde K representa el proceso deamplificación en los transistores y deatenuación en R5 y R2. La atenuación enR5 y R2 no tiene distorsiones pero laamplificación de los transistores si. En lapráctica sabemos que el semiciclo negativoesta comprimido (ver el oscilograma 9).

Esto significa que hay menos tensión de salidaen el pico negativo que en el positivo y por lotanto hay menos realimentación negativa y unaumento proporcionalmente mayor de estesemiciclo que del positivo.

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Montaje

Ahora podemos realizar nuestro montaje:

Materiales a Utilizar:T1=2N2222T2 =2N3904T3 =2N3906R1 =680 ΩD1, D2= 1N4148C1 = 10uF/16VC2 =47uF/16VC3 =0.03nF (30000pF)R2 =0.5 ΩR3 =0.5 ΩR4 =150KΩPotenciómetro =10K ΩParlante =0.5W, 8 ΩVi = IN señal de AudioVo =Out Audio Amplificador

Nota los transistores tienen que ser losindicados porque podria no funcionar.

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Montaje Realizado

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Montaje Realizado

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Montaje Realizado

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Montaje Realizado 14

Montaje Realizado

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Montaje Realizado

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En esta lección analizamos un amplificador depotencia básico. Tan básico que me animo a decirque es el amplificador mas económico que se puedefabricar. No lo hicimos con la intención de indicarlocomo producto industrial (ya indicaremos circuitosque el lector puede fabricar y vender) pero nuestroamplificador elemental posee todos los órganos quetiene uno mucho mas complejo. Es un dispositivodidáctico y estamos seguros que muchos técnicosque fabricaron amplificadores de audio mascompletos, recién hoy entendieron los conceptosbásicos de la amplificación de potencia.En la próxima lección vamos a aprender a medirlelas características a los amplificadores. Sabemosque nuestro amplificador es capaz de entregarle unatensión de 1 KHz con una amplitud pico a pico de11V, a un parlante de 8 Ohmscuando le colocamos una señal de entrada de 660mV (valor normalizado de señal de entrada de unamplificador o de 0dBm). Pero no podemos evaluarcorrectamente las características del mismo sinsometerlo a una serie completa de mediciones que elarmador debería realizar en todos susamplificadores. Vamos a sotodas las pruebasposibles y vamos a obtener algunos datos prácticosimprescindibles para armar amplificadores. meter anuestro sencillo amplificador a

Vamos a medirle la potencia máxima que puedeentregar; el consumo sobre la fuente; elrendimiento; la posibilidad de conectarle unparlante de 4 Ohms (o dos en paralelo de 8); comoagregarle un control de volumen; cual es surespuesta en frecuencia; cual es su distorsiónarmónica total; como se modifica la respuesta enbajos y en agudos; cual es su resistencia interna desalida y todo lo que a Ud. se le pueda ocurrir

Además vamos a aprender a repararlo siguiendo unmétodo de trabajo que luego pueda servirnos parareparar amplificadores mas complejos. Y lo vamos ahacer siguiendo el criterio del reparador. Eso le va aservir posteriormente para reparar cualquier otroequipo incluyendo un TV a LCD o plasma, porqueel criterio es siempre el mismo. Yo lo llamo dividirpara reparar y lo aplico desde que di mis primerospasos en la electrónica hace medio siglo.Mi ayudante, que corrige lo que escribo, esaficionado a los amplificadores de audio y armódesde quipos valvulares (Willansom) hasta losdigitales de última generación y me confesó querecién hoy, después de leer este artículo entendióintuitivamente algunos conceptos que siempreaplicó pero que el fondo no comprendía totalmente.

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Universidad Fermín Toro

Departamento de Ingeniería Electrónica

Barquisimeto, Estado Lara,

Venezuela

Fuente de Información

Boylestad R., Nashelky L. Electrónica teoría deCircuitos, Prentice Hall int.1992.Malvino. Principios de Electrónica, Quinta Edición,Mac Graw Hill, 1998.http://www.geocities.com/eduardo_rys/circuitos_impresos3.htmlhttp://electro.5u.com/links/electronica.htmhttp://www.geocities.com/tdcee/Directory.htm