¿Qué es y como funciona el amplificador clase A?

¿Qué es y como funciona el amplificador clase A?
Juan Carlos G2020-10-18

Me da mucho gusto que estés en Amplificadores info, hoy veremos un tema bastante interesante, te quiero platicar un poco sobre el amplificador de potencia clase A (Amp CA), este amplificador es considerado por aquellos expertos en temas de audio, como el amplificador que entrega mejor sonido.

Así que, analizaremos sus características su teoría y un poco de matemáticas que respaldan a esta topología de amplificación, espero te guste y te sea de gran ayuda en tu profesión.

 

 

¿Qué es el amplificador clase A?

El amplificador clase A es uno de los tipos de amplificadores de potencia más simples que podemos encontrar, constan de un solo transistor y utiliza una configuración de emisor común.

Esta clase de amplificador consume demasiada corriente de su fuente de alimentación, tenga o no una señal a la entrada al circuito, en pocas palabras, el transistor siempre esta trabajando consumiendo energía.

En temas de audio, los amplificadores clase A son los que mejor sonido proporcionan, no obstante:

  • Son caros
  • Menos prácticos
  • Demandan mucha corriente, aún cuando no hay señal de entrada
  • Aunque, devuelven señales muy limpias, por eso suenan bien.

Hasta la década de los 60's del siglo pasado, este tipo de amplificador era diseñado a través de válvulas, las cuales, eran los elementos activos mas usados de la época, sin embargo, fueron reemplazados tras la aparición de los transistores.

Los transistores eran capaces de hacer prácticamente todo lo que hacen las válvulas de vacío, en un espacio más reducido y disipando menos calor y, para aquellos que ocupaban estos dispositivos en aquella época, pues fue un gran alivio.

En la actualidad la clase A en su mayoría están diseñados con base en transistores, con un diseño simple y muy querido por cientos de aficionados. 

 

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      Características del amplificador clase A

      • Consumen demasiada corriente de la fuente de alimentación.
      • Pueden funcionar con un solo transistor en su diseño.
      • El transistor esta conectado en emisor común y trabaja con la onda completa.
      • El transistor siempre consume energía, aún cuando no exista señal de entrada.
      • Genera grandes cantidades de calor, lo que indica, una gran perdida de energía.
      • El comportamiento del transistor tiende a ser lineal, por lo que, tiene una baja distorsión en la señal de entrada, lo que hace que, las señales de audio a la salida sean de gran calidad.

       

      Funcionamiento del amplificador clase A

      Bien, ha llegado la hora de analizar este tipo de amplificador, lo haremos paso a paso y trataré de ser lo más claro posible para no confundirte.

       

      Polarización de los transistores

      Lo primero que debemos comprender de este tipo de circuitos es como esta polarizado el transistor, ya que, de esta forma comprenderemos todas sus características.

      Bien, lo que buscamos es polarizar al transistor de tal manera que opere siempre dentro de la zonal lineal, para ello, vamos a ocupar una de las configuraciones más simples de los transistores, la cual es, "Emisor común".

       

      Emisor común

      Un transistor posee 3 terminales:

      • Colector (C)
      • Base (B)
      • Emisor (E)

       

      Configuración del transistor en emisor común

       

      Y en este tipo de configuración el emisor es común entre la entrada y la salida, de ahí su nombre, lo que indica que:

      • La entrada al circuito esta entre la terminal Base y la terminal Emisor.
      • Y la salida esta entre las terminales Colector y Emisor.

      Y en esta configuración logramos ganancias elevadas, ya que, la corriente que fluye a través del Colector (salida) es mayor que la corriente que fluye a través de la Base (Entrada).

      No obstante, el diagrama anterior no es el más utilizado para la clase A, existe una configuración de emisor común la cual proporciona una mayor estabilidad.

       

      Circuito de polarización automática

      Configuración en emisor común automática

      Analicemos un poco este circuito, el cual no es el definitivo para amplificadores clase A, pero vayamos paso a paso:

      • El transistor esta polarizado en continua dado que la base esta conectada a las resistencias R3 y R4.
      • La terminal Colector recibe la tensión de la fuente a través de la resistencia RC.
      • En esta configuración la tensión de salida VC es menor a la tensión de la fuente, ya que, en Rc hay una caída de tensión debido a la corriente IB de la base y la corriente IC de colector.
      • La estabilidad en este circuito se logra gracias a RE la cual esta conectada a la terminal emisor y el punto común.
      • RE estabiliza el circuito ante las variaciones de la corriente IC, las cuales pueden presentarse debido a cambios térmicos.

       

      Punto de polarización Q

      Los transistores pueden trabajar en tres zonas y se comportará diferente en cada una de ellas, por ejemplo:

      • Saturación, se comportará como un circuito cerrado.
      • Corte, será equivalente a un circuito abierto.
      • Activa, se comportará como un amplificador.

       

      Gráfica de las zonas de operación del transistor

       

      Bien, estoy seguro que has deducido que, un amplificador de clase A debe trabajar en la zona activa, ya que, precisamente debe amplificar la señal de entrada.

      Para lograr que el transistor de la configuración de polarización automática, trabaje en la zona activa, tienes que saber lo siguiente:

      • Los valores de la corriente IB, IC y la tensión de colector - emisor VCE definen la zona de operación del transistor.
      • No obstante, dichos valores de corriente y tensión los fijamos a través de las resistencias, R3, R4 RC y RE.
      • Como tercer punto tenemos el factor "f", esta constante relaciona la corriente de colector IC y la corriente de base IB. IC = f (IB)

       

      Ya casi tenemos definido la mayoría de los elementos de nuestro amplificador clase A, solo falta mencionar a los capacitores de acoplamiento, los cuales te dejo en la siguiente imagen y te explico su funcionamiento a continuación.

       

      Diagrama de un circuito amplificador clase A

       

      Diagrama de un circuito amplificador clase A

       

      Capacitores de acoplamiento

      Este tipo de capacitores se colocan con el fin de:

      • Separar la corriente continua de la corriente alterna, lo cuales, están presentes tanto a la entrada como a la salida en C3 y C4.
      • El capacitor C3 une la terminal Emisor con el punto común del amplificador, esto establece un camino de baja impedancia en comparación con el valor de RE.
      • Para la elección de estos capacitores se debe tener en cuenta el rango de frecuencias con las que se va a trabajar el amplificador, ya que, estos capacitores deben presentar una reactancia baja ante la corriente alterna, de lo contrario, tendremos atenuación en la señal de salida.

       

      Excelente, en este punto si aplicamos una señal, por ejemplo, de tipo senoidal a la entrada ve , a la salida tendremos la misma onda senoidal vs pero, con distinta amplitud, donde la ganancia en amplitud la expresamos con la formula:

      Au = vs / ve 

      Lo importante en este punto es:

      • Establecer el punto de operación correcto del transistor para conseguir la salida deseada en la etapa amplificadora ante señales alternas.

       

      Ejemplo amplificador clase A

      Para situar a nuestro amplificador clase A en la zona activa, utilizaremos los siguientes valores:

      • Trabajaremos con el Transistor BC547 el cual es muy común.
      • R3 = 12  kΩ
      • R4 = 5.1 kΩ
      • RC = 820 Ω
      • RE = 910 Ω
      • C3 = C4 = 2.2 μF
      • CE = 22 μF / 50 V
      • RL = 1 kΩ (Esta es la carga a la salida, la cual, pudiera ser, por ejemplo, una bocina)
      • Vcc = 30 V

      Recuerda que esta clase no es de transistores, así que, simplemente veremos los efectos resultantes de estos datos, ya que, de lo contario, tendríamos que analizar los efectos de CC y CA por separado. Por lo tanto, el punto de operación Q se establece, para un funcionamiento teórico en:

      • Tensión de colector - emisor Vce = 15 V
      • Corriente de colector IC = 8.75 mA
      • No obstante, recuerda que las resistencias cuentan por lo regular con una tolerancia o error del 5%, con lo cual, el punto de operación en la practica pueda estar desplazado. Te recomiendo utilizar un potenciómetro en R3 y R4 para minimizar estos efectos.

       

      Amplificador clase A con buffer Darlington

      Existen algunas otras configuraciones que podemos agregar a nuestro amplificador, según, el tipo de carga que se le aplicará, por ejemplo:

      Si deseamos agregar directamente un altavoz, el cual, tiene una baja impedancia, podemos agregar un par Darlington, el cual, funcionara como un tipo Buffer que reducirá la impedancia de salida.

       

      Diagrama buffer con par Darlington

      Diagrama para un amplificador clase A con un par Darlington a la salida

       

      Amplificador clase A con transformador

      Otra opción viable con la que disponemos al trabajar con bajas impedancias, es agregar un transformador a la salida, el cual, funcionará como un acoplador de impedancias. Al agregar este transformador podremos mejor un rendimiento de hasta un 50 por ciento.

       

      Diagrama clase A con acoplador de impedancias mediante trasformador

      Diagrama del circuito de un amplificador clase a con transformador

       

      Excelente, hemos llegado al final de este post, hemos visto a groso modo el amplificador clase A, como siempre, te dejo un pequeño resumen:

      • Se puede construir a partir de un solo transistor.
      • La configuración del transistor esta en Emisor común.
      • Debemos polarizar al transistor en la zona activa.
      • Este tipo de circuito tiene el defecto de consumir demasiada corriente de la fuente de voltaje, ya que, el transistor siempre esta trabajando.
      • Otro defecto es que disipa mucho calor, por lo tanto, tiene un rendimiento bajo.
      • La ventaja que tiene, es que proporciona una buena señal de audio a la salida.

      Bien espero que te haya gustado este post y hayas aprendido algo nuevo, recuerda suscribirte al boletín y compartir en redes sociales, nos vemos en el próximo post.

       

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              Juan Carlos G

              Desarrollador de sistemas de rastreo satelital

              Hola, sean bienvenidos todos a Amplificadores.info, he creado este blog donde intentare enseñar todo lo que se sobre la amplificación de señales, lo hare tal y como lo aprendí mientras estudiaba Ingeniería eléctrica electrónica en la UNAM. Espero les guste, ya que, mi objetivo es aportar mi granito de arena en las nuevas generaciones.

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