Funcionamiento del Amplificador clase AB

Funcionamiento del Amplificador clase AB
Juan Carlos G2020-11-04

Me da mucho gusto saludarte y, si es tu primera visita en Amplificadores.info, te doy una calurosa bienvenida a este post donde veremos a detalle el amplificador clase AB, el cual es un tipo de amplificador de potencia muy interesante y por ello lo analizaremos el día de hoy.

Como es costumbre, exploraremos a este amplificador desde su definición básica y llegaremos hasta los datos matemáticos que fundamentan esta configuración.

Este post tiene como objetivo que tengas en claro que son los amplificadores clase AB, y que, si algún día requieres trabajar con estos dispositivos, hagas uso de toda la teoría que aquí encontrarás.

Para que no quede duda, te dejo la tabla de contenido para que te des una idea.

 

 

¿Qué es un amplificador clase AB?

Esta clase de amplificadores, en esencia, es el resultado de combinar las mejores características que poseen los amplificadores clase A y los de clase B; así mismo, la versatilidad que tienen los clase AB nace al intentar solucionar los problemas inherentes de los amplificadores antes mencionados, como la distorsión que se produce al trabajar con señales pequeñas en el amplificador clase B.

Por esto y más, son uno de los amplificadores más utilizados en el campo electrónico y acústico. Poco a poco conocerás sus ventajas y desventajas.

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Unión entre amplificador clase A y clase B

Como te mencioné anteriormente, la clase AB nace del objetivo de solucionar los problemas de funcionamiento del amplificador clase A y clase B, así como unir las mejores características de estos amplificadores. Veamos cada una de estas problemáticas.

 

Problemática de los amplificadores clase A

Circuito ejemplo del amplificador clase A

Los amplificadores clase A se caracterizan por tener una alta amplificación, pues sus transistores funcionan en un 100%; sin embargo, un problema de funcionamiento que poseen, es que la conversión que realiza de una fuente de alimentación de corriente continua (C.C) a una salida de potencia de corriente alterna (C.A) es sumamente baja.

Esto se soluciona uniendo la configuración del amplificador clase A con la configuración del amplificador clase B, para que la corriente del colector solo fluya en los transistores a 180° del ciclo total. Así es como nace el amplificador clase AB: combinando la baja distorsión del amplificador clase A con la alta eficiencia de salida del amplificador clase B.

De esta configuración obtendremos que, para la salida de pequeñas potencias, el amplificador actuará como un amplificador clase A; no obstante, si se trata de corrientes de salida grandes, el amplificador se comportará como un amplificador clase B.

 

Problemática de los amplificadores clase B

Ejemplo de un circuito amplificador clase B

Los amplificadores clase B presentan una distorsión de cruce, debido a que en su arquitectura los transistores BJT son configurados como un sistema push-pull; esta configuración se caracteriza por dividir el trabajo: mientras un transistor se dedica al cien a trabajar en la parte positiva de la onda de entrada, otro transistor se encarga de realizar el trabajo en la parte negativa de dicha onda.

Pero quizá te estés preguntando: ¿Y cuál es el problema? El problema es que estos transistores son tan flojos que solo trabajan si se les induce un voltaje mínimo de 0,7v, lo que provoca que estos transistores solo trabajen en un 50%.

Para solucionar esto, se ha optado por polarizar los transistores con un voltaje de valor mínimo, con el objetivo de que siempre estén activos, trabajando; de esta forma, cualquier voltaje de entrada podrá sumarse al voltaje de polarización para que el amplificador funcione desde el primer momento, entregando una salida eficiente. Esta solución está presente en el amplificador clase AB.

 

¿Por qué es mejor utilizar un amplificador clase AB en vez de utilizar un amplificador clase A o clase B?

Como ya sabes, el amplificador clase AB une lo mejor de ambas clases (A y B), aprovechando las ventajas de cada uno, como la eliminación de la distorsión de cruce, manteniendo una eficiencia alta; sin embargo, debes saber que este amplificador tiene un alto consumo de potencia, y no llega a ser tan lineal como un amplificador de clase A.

Ahora que ya conociste como es que surge este amplificador y cuáles son las problemáticas que soluciona, es hora de ver como realmente funciona la clase AB.

 

¿Cómo funciona el amplificador clase AB?

En el apartado anterior te adelanté un poquito de la explicación del funcionamiento del amplificador clase AB. Como recordarás, para obtener el funcionamiento del amplificador se deben polarizar las uniones base-emisor de los transistores, con el objetivo de permitir que una corriente pueda circular a través de los colectores; de esta forma, cualquier voltaje que entre, será copiado directamente a la polarización de los transistores, funcionando en todo momento y evitando la distorsión de cruce que tanto representan a los amplificadores clase B.

Los amplificadores clase AB se distinguen por poseer una alta eficiencia de salida y una distorsión mínima, con un rendimiento del 50% aproximadamente. Su consumo energético es un poco elevado si se compara con el amplificador clase B, pues sus transistores conducen corriente en todo momento.

En resumen, si un amplificador posee las características y el funcionamiento que acabas de conocer, se dice que está trabajando en clase AB.

Ahora la pregunta del millón ¿Cómo polarizar los transistores? Existen tres circuitos básicos que se usan para polarizar de manera eficiente los transistores: polarización con diodos, polarización con alimentación unipolar y polarización con resistencias. 

 

Teoría de funcionamiento del amplificador clase AB

A continuación revisaremos las principales topologías de este tipo de amplificador y analizaremos la parte matemática que los fundamente.

 

Circuito general del amplificador clase AB

Circuito general del amplificador clase AB

Este es el amplificador clase AB en su estado más puro. Algo que debes saber es que el amplificador clase AB no se diseñan en clase A ni en B, sino en casí corte, para que así se logre eliminar la distorsión de cruce, de la cual ya hablamos anteriormente.

Como puedes observar en el diagrama, si se le aplica un voltaje mínimo a la base de cada transistor, se puede obtener una polarización en las uniones base-emisor de los transistores de forma directa.

Como te mencione anteriormente, para lograr polarizar los transistores y que no entren en corte, podemos realizar algunos circuitos que sustituyan las fuentes de tensión del diagrama general y se encarguen de una polarización eficiente. Las técnicas más eficientes de polarización (las cuales veremos a detalle) son los siguientes:

  • Polarización con diodos.
  • Polarización con alimentación unipolar.
  • Polarización con resistencias.

 

Amplificador clase AB Push-Pull polarizado con diodos

La primera técnica de polarización que veremos es aquella donde utilizamos un par de diodos, lo cuales deben ponerse cerca de los transistores, como se muestra en el siguiente diagrama.

Amplificador clase AB Push-Pull polarizado con diodos

Esta combinación de diodos tiene el objetivo de compensar las variaciones de temperatura que puedan existir en la tensión base-emisor (VBE). Estos diodos están polarizados hacía delante, en conjunto de una resistencia en cada extremo del circuito, manteniendo la naturaleza del circuito original del amplificador clase AB.

 

¿Cómo funciona?

Pues en esta polarización, una corriente fluye por los diodos y las resistencias, componentes que están conectados en serie, como puedes ver en el diagrama anterior. Esta corriente produce caídas de tensión, las cuales son simétricas en la entrada; si no existiese una señal de voltaje de entrada, el punto entre los dos diodos no tiene ningún voltaje.

Al introducir una señal de voltaje, el circuito produce una caída de voltaje de polarización directa de 0.7v a cada diodo, para llegar a las uniones base-emisor de cada transistor.

  • En conjunto, los dos diodos producen una caída de voltaje de 1.4v.

Hoy en día esta polarización es mucho más rápida y fácil, pues el diodo y los transistores de conmutación están fabricados en un mismo chip, siendo las características electrónicas de ambos componentes compatibles e ideales.

Por si algún día te animas a diseñar un amplificador clase AB con diodos, la fórmula matemática es la siguiente:

formula para calcular las resistencias de un Amplificador clase AB Push-Pull polarizado con diodos

ID1 representa la corriente mínima que se necesita para la conducción independiente de la carga de los diodos. Si decides diseñar un amplificador clase AB con esta naturaleza, te recomiendo que coloques los diodos lo más cerca de los transistores, para que la temperatura esté balanceada entre los diodos y los transistores.

Esta técnica es la más utilizada en la práctica, pues el uso de los diodos tiene la ventaja de evitar una temperatura excesiva en los transistores, evitando, a su vez, una disipación de potencia. Más adelante conocerás más de cerca este problema cuando veamos la polarización mediante resistencias.  

 

Amplificador clase AB Push-Pull con alimentación unipolar

Una de las características del amplificador clase AB, es que en los emisores de los transistores poseen una tensión mayor a 0 v; para evitar esto, es recomendable colocar un capacitor en conjunto con la resistencia de realimentación (RL) en la salida, para que el nivel de corriente directa que se introduce gracias a la fuente de alimentación sea bloqueado.

Otro problema que se puede presentar en el circuito, es en la entrada de señal de voltaje: si el voltaje de entrada está cerca de su valor máximo, existe el riesgo de que el diodo #1 (D1) entre en corte. En cambio, si el voltaje de entrada está en su valor mínimo, se corre el riesgo de que el diodo #2 entre en corte. Para evitar esto en nuestro amplificador clase AB, se realiza el siguiente circuito:

Amplificador clase AB Push-Pull con alimentación unipolar

Lo que está sucediendo aquí es que la señal de voltaje de entrada se está aplicando por igual en los dos transistores, con ayuda de un acoplamiento con capacitores (C1 y C2), En este estado, el voltaje entre las bases de los transistores debe ser independiente del voltaje de entrada y constante. Todo esto se realiza para que los diodos no entren en corte.

Este circuito se realiza como alternativa si deseas diseñar tu amplificador clase AB y no poseen una fuente de alimentación simétrica.

 

Amplificador clase AB Push-Pull polarizado con resistencias.

Ya vimos dos técnicas de polarización para el amplificador clase AB: una utilizando diodos y otra que funciona como alternativa si no se tiene una fuente de alimentación simétrica; sin embargo, esta última es la que más se conoce, pero no es muy aplicable, ya verás por qué.  

Esta técnica consiste en el uso de un divisor de tensión, constituido por una rama de cuatro resistencias, como se muestra en el diagrama siguiente. El nivel de polarización puede definirse con el valor de las resistencias. 

Amplificador clase AB Push-Pull polarizado con resistencias.

 

¿Cómo funciona?

Pues todo está en el flujo de corriente eléctrica en las resistencias. Cuando una corriente fluye por una resistencia, se provoca una caída de tensión en la resistencia (esto se puede ver a través de la Ley de Ohm). Si esto sucede con una resistencia, al colocar más de dos resistencias en serie se puede crear un divisor de voltaje para obtener valores fijos de voltaje, según los valores que tengan las resistencias.

Dentro de la práctica y el diseño, la resistencia #2 (R2) debe tener el mismo valor que la resistencia #3; así mismo, el valor de la resistencia #1 (R1) debe tener el mismo valor que la resistencia #4 (R4). No te preocupes, a continuación, te dejo la fórmula para diseñar este divisor de voltaje, puede que, conociendo esta fórmula, todo quede más claro.

Formula para calcular las resistencias del amplificador clase ab push-pull unipolar con resistencias

Algo que es importante que consideres a la hora de diseñar este tipo de amplificador clase AB, es que, si se introduce una corriente excesivamente grande, puede suceder que el amplificador no trabaje muy bien; pero, si se introduce una corriente demasiado pequeña, los transistores no podrán ser polarizados y trabajarás con un amplificador clase B. 

¿Recuerdas que te dije que era la más conocida pero la menos aplicable? Pues esto se debe a que este tipo de configuración genera muchísimo calor en los transistores, provocando una alta disipación de potencia. Este efecto es llamado “avalancha térmica”, y para evitarlo, es recomendable optar mejor por la polarización por diodos.

 

Aplicaciones de los amplificadores clase AB

Gracias a que los amplificadores clase AB se caracterizan en su eficiencia de energía y la poca o incluso nula distorsión de la señal de salida, son ideales para aquellas aplicaciones donde se requieren una enorme fidelidad de sonido. Está presente en dispositivos como:

  • Guitarras eléctricas de gama alta.
  • Bocinas de gama alta.
  • Equipos estéreo.
  • Pianos y sintetizadores.

Sin embargo, debes saber que estos amplificadores generan altos niveles de calor, por lo que, si tu aplicación es robusta, vas a necesitar un buen disipador de calor, detalle que agrega mucho más peso y poca versatilidad. Si este es tu caso, te recomiendo intentar utilizar algún amplificador clase A o clase B de forma independiente.

Si has llegado hasta aquí, ¡FELICIDADES! Has logrado completar de manera exitosa este artículo lleno de conceptos que tal vez no conocías, y si los conocías, un buen repaso no viene mal.

Cómo pudiste darte cuenta, los amplificadores clase AB son súper útiles, teniendo las ventajas más significativas de los amplificadores clase A y clase B, lo mejor de ambos mundos. Son ideales a la hora de aplicarlos en sistemas de audio que requieran una gran potencia de sonido; además, son preferidos por el mercado y muchos usuarios por su combinación de eficiencia considerablemente buena y poseer una salida de alta calidad, sin mucha distorsión cruzada y una linealidad que no viene mal.

Como es costumbre, antes de despedirme te dejo algunos puntos destacables de este artículo, para refrescar la memoria. ¿Vamos?

  • Los amplificadores clase AB, en esencia, es el resultado de combinar las mejores características que poseen los amplificadores clase A y los de clase B.
  • Una de las ventajas más grandes de los amplificadores clase AB, es que tienen una alta eficiencia de salida, así como poca distorsión de cruce.
  • Un amplificador clase AB está constituido por dos transistores de conmutación, muy parecido al diseño del amplificador clase B.
  • El amplificador clase AB nace al tratar de evitar la distorsión de cruce que existe en los amplificadores clase B y la baja eficiencia de salida que caracteriza al amplificador clase A.
  • Para que un amplificador AB funcione de forma adecuada, se requiere una polarización en la base de los transistores, con el objetivo de que estos trabajen al 100%.
  • Existen dos formas eficientes de realizar la polarización en los transistores: polarización por diodos, y polarización a través de resistencias (divisor de voltaje).
  • La polarización del amplificador clase AB mediante un divisor de voltaje es la técnica más conocida y fácil de aplicar, pero debido a la avalancha térmica que provoca, en la práctica se opta por utilizar la polarización mediante diodos.

Y así es como terminamos. No olvides compartir este articulo con quien creas que lo necesite o tenga muchas ganas de aprender más sobre los amplificadores. Eres genial amigo nos vemos en el siguiente post.

 

 


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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