¿Cómo estás? Espero que te encuentres de maravilla, con muchos ánimos de aprender un nuevo tipo que forma parte de los amplificadores de potencia. Hoy veremos ¿Qué es y cómo funciona? El amplificador Clase C, uno de las configuraciones más importantes y que debes aprender para comprender a la perfección el funcionamiento de los amplificadores.

La misión de este post sigue siendo la misma que en todos mis otros post, deseo que comprendas de una manera detallada el funcionamiento de los amplificadores, que en este caso es la clase C. Si algún día necesitas trabajar con este dispositivo, de aquí podrás llevarte todos los conocimientos teóricos y prácticos necesarios.

¿Qué es el amplificador clase C?

Un amplificador clase C o también conocido como amplificador sintonizado, es un amplificador que en su configuración esta presente un circuito resonante conocido como circuito tanque.

En esencia, es muy parecido a los amplificadores de clase B, (ver el artículo de amplificadores clase AB para más información) pues ambos necesitan de un circuito “extra” para llegar a funcionar de forma eficiente; mientras el amplificador clase B requiere un circuito de contrafase, el amplificador clase C necesita en su arquitectura un circuito resonante o también llamado “circuito tanque” para llegar a funcionar de manera óptima. 

Gracias a lo anterior, a los amplificadores clase C se les conoce como amplificadores sintonizados. Más adelante daremos un repaso por las características de un circuito resonante.

• Una de las características estrella de este amplificador de potencia, es que su elemento activo solo amplifica una porción de señal de entrada, es decir, si entra una señal senoidal, solo se va a conducir menos de 180° de dicha señal.
• Otra característica representativa de este amplificador es su gran rendimiento.

Las aplicaciones más comunes de estos amplificadores se hallan en las telecomunicaciones y aplicaciones de radiofrecuencia, pues no son ideales para ser aplicados en el procesamiento de señales para sonido. Quizá te preguntes: ¿Por qué no son ideales? Y justo eso y más veremos al conocer cómo funcionan los amplificadores clase C.

Funcionamiento del amplificador clase C

Como te mencioné anteriormente, los amplificadores clase C son utilizados dentro del campo de las telecomunicaciones y la radiofrecuencia, ya que comúnmente estas aplicaciones requieren un incremento en la potencia, dejando atrás la linealidad que puede existir entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada.

Si estos amplificadores se llegasen a ocupar dentro del campo del audio (como otros amplificadores de potencia), la distorsión en la señal de salida sería un problema muy serio. 

De forma práctica, el amplificador clase C basa su funcionamiento en la amplificación de una señal de entrada para que la señal de salida sea de alto rendimiento dependiendo de un rango de frecuencia. 

El funcionamiento de este amplificador es singular, pues aquí se selecciona como punto de operación la región de corte, ya que en este punto la corriente eléctrica pasa por el amplificador por menos de la mitad de tiempo respecto a la onda de entrada con la que se esté trabajando, de aquí nace su conducción de señales de entrada a menos de 180°. 

Además de la singular forma de procesar las señales de entrada, los amplificadores clase C poseen un circuito LC (bobina – capacitor), el cual sustituye a una resistencia de colector si se compara con otros amplificadores, este circuito tiene el objetivo de producir la conducción de un transistor por medio de un cambio de impedancia; esto se logra gracias a que el condensador y la bobina entran en sintonía, dependiendo de una frecuencia, la cual es llamada frecuencia de resonancia. 

El uso de estos circuitos sintonizados permite la eliminación de armónicos, pues el circuito LC funciona como un filtro pasa banda.

Modulación de los amplificadores clase C

Los amplificadores clase C permiten una modulación en amplitud, mediante la inducción de un voltaje modulante a la placa, reja, grilla cátodo, grilla pantalla. Cada una de estas modulaciones proporcionan una alta eficiencia al amplificador clase C, siendo la modulación más común la de placa, pues proporciona una eficiencia de hasta 85%. 

• En resumen, un amplificador clase C puede ser considerado como un amplificador sintonizado, aquí, el transistor sigue teniendo un papel muy importante, pues funciona como un interruptor que produce señales de pulsos, los cuales contienen armónicos.
• Para obtener una reducción de estos armónicos y, consecuentemente, la obtención de una onda senoidal en la salida con una amplitud constante y una frecuencia igual que la de la señal de entrada, se requiere utilizar un circuito LC.

¿Qué es un circuito resonante?

Una de las partes más importantes dentro de los amplificadores clase C es el uso de circuitos resonantes para la carga, este circuito es la característica más representativa de este amplificador. Por lo anterior, es importante que recuerdes un poco de que van los circuitos resonantes y cuál es su función de forma individual.

Un circuito resonante o también llamado “circuito tanque” es un circuito que combina reactancias capacitivas e inductivas, es decir, combina los elementos inductores (bobinas) y capacitivos (capacitores o condensadores).

Esta combinación se realiza de tal forma que la impedancia resultante pueda modificarse si le aplicamos una frecuencia específica, y esta frecuencia es conocida como frecuencia de resonancia, de la cual te hablaré de forma específica más tarde.

Como puedes ver en los pequeños diagramas, la estructura básica de un circuito resonante es protagonizada por un capacitor y una bobina o inductor; pueden estar conectados en serie o en paralelo, dependiendo de la aplicación. 

Como sabes, el circuito resonante en el amplificador clase C tiene la misión de aceptar una banda de frecuencias en específico, atenuado frecuencias que sobren al procesar la señal de entrada.

Los circuitos resonantes se clasifican en 4 tipos: 

• Circuitos resonantes de frecuencia fija y ajustable.
• Circuito resonante simple y múltiple.
• Circuito resonante de banda ancha y banda angosta.
• Circuito resonante en serie y en paralelo.

Circuito resonante de frecuencia fija y ajustable

Este circuito resonante se caracteriza por estar sintonizados a una sola banda de frecuencia, la cual es fija e invariable, aunque este último depende mucho de la aplicación destino. Respecto a las aplicaciones, este circuito suele estar presente en equipos electrónicos en los que se requiere una respuesta a una frecuencia previamente conocida. 

Algo curioso de estos circuitos, es que, a pesar de poseer una frecuencia fija, el usuario puede ajustar un poco la frecuencia, en algunos rangos pequeños; este efecto se debe más a los componentes del circuito, los cuales pueden modificarse ligeramente. 

Mientras tanto, los circuitos resonantes ajustables poseen una frecuencia que se puede ajustar, logrando que el circuito responda a frecuencias variadas. ¿Dónde puedes encontrar este circuito resonante de frecuencia ajustable? Pues no necesitas ir muy lejos para encontrar un ejemplo, pues el radio común utiliza esta tecnología.

Circuito resonante simple y múltiple:

En esta clasificación podrás encontrar aquellos circuitos resonantes que pueden tener un solo circuito resonante o si poseen dos o más circuitos resonantes en su configuración, sintonizados de forma simultánea con una o varias frecuencias. Generalmente se realiza un circuito resonante múltiple si se desea obtener una respuesta de banda ancha sin tener que sacrificar otras características favorables del circuito.

Circuito resonante de banda ancha y banda angosta

Dentro del mundo de los circuitos resonantes, podrás encontrar otra clasificación, la cual depende de forma directa con qué tipo de banda se está trabajando. Se dice que un circuito resonante es de banda ancha si su ancho de banda es igual a dos veces el valor de la frecuencia de resonancia; en cambio, si es menor, se dice que el circuito resonante es de banda angosta. 

¿Qué define que un circuito resonante sea de banda ancha o de banda angosta? Pues, en realidad, todo está en la aplicación a la que se destine el circuito resonante. Un ejemplo de sistemas que utilicen un circuito resonante de banda ancha, es el receptor de señales de televisión y los radares, debido a que requieren trabajar un amplio espectro de bandas y frecuencias. 

Por otro lado, los radios son un ejemplo de sistema que utilizan circuitos resonantes de banda angosta, ya que se debe recibir de forma específica una frecuencia y un ancho de banda para evitar que otras frecuencias cercanas interfieran en la sintonización.

Circuito resonante en serie y en paralelo

Esta es la clasificación más utilizada y conocida en lo que respecta la aplicación de circuitos resonantes. Aquí, la diferencia se encuentra en la conexión de los componentes dentro del circuito resonante, ya que pueden ser conectados en serie o en paralelo; esto ayuda a obtener distintos comportamientos y propiedades, como el ancho de banda.

¿Dónde se encuentra la diferencia? Pues se encuentra en el flujo de la corriente y de la tensión. Por un lado, tenemos a la conexión en serie, donde la corriente pasa por todos los componentes del circuito y el voltaje se divide entre las ramas de cada elemento. Por otro lado, tenemos a la conexión en paralelo, donde la corriente se divide entre las ramas donde se encuentran conectados cada componente, y el voltaje se mantiene con el mismo valor en ambas ramas de conexión.

A continuación, te dejo los diagramas de cada uno, para que quede mucho más claro:

Circuito LC en paralelo

Para calcular la frecuencia resonante ω0, utilizamos las siguientes expresiones:

Circuito LC en serie

Frecuencia de resonancia

Ya que has visto de forma específica cómo funciona el amplificador clase C y las características detrás de un circuito resonante, es importante especificar (y recordar) que la placa o también llamada como corriente de colector tiene un tiempo de circulación de menos de un semiciclo El uso de un circuito resonante tiene la capacidad de filtrar los pulsos de placa, haciendo que el rendimiento del amplificador clase C sea del 100%.

Para calcular la frecuencia de tensión en un amplificador sintonizado, se utiliza la siguiente expresión:

El uso de una frecuencia de resonancia es una de las principales razones por el cual el amplificador clase C sea utilizado para amplificar bandas estrechas de frecuencia, haciéndolo inútil a frecuencias muy grandes. Algunos sistemas que utilizan bandas estrechas de frecuencia son los radios y la televisión.

Circuitos básicos del amplificador clase C

En este apartado conocerás los circuitos básicos del amplificador clase C. Al ser un amplificador muy complejo, para explicar su diseño desde la teoría matemática se requeriría conocimientos avanzados en este campo, así como el saber conceptos avanzados de electrónica. Por esta razón, te mostraré solo lo más importante y que tienes que saber sobre el circuito de un amplificador clase C y sus ecuaciones más básicas. No te preocupes, que será muy sencillo.

Circuito de amplificador clase C

Como puedes observar, el amplificador clase C se parece muchísimo al amplificador clase A, con la diferencia de que necesita un circuito resonante como carga para poder filtrar los armónicos que existe en el procesamiento de la señal de entrada.

Su circuito equivalente para corriente alterna

En este circuito, la señal de entrada excita el diodo emisor, mientras que los pulsos de la corriente que se ha amplificado llegan a la etapa del circuito resonante, pasando por la bobina, el capacitor y la resistencia. La señal del emisor se muestra desplazada de forma negativa debido al condensador de entrada.

Ecuaciones del amplificador clase C

Generalmente el amplificador clase C se maneja como amplificador de banda angosta, debido a que la señal entrante se amplifica para obtener grandes potencias de salida. 

Algunas ecuaciones generales que se pueden aplicar a este amplificador son las siguientes:

Ganancia de potencia

G = PoutPint

Donde:

• P_out = Potencia de salida.
• P_in = Potencia de entrada.

Potencia de salida para corriente alterna

Donde

• Vout = Voltaje de salida.
• RL = Valor de resistencia de realimentación.

Máxima potencia de salida para corriente alterna

Potencia de entrada para corriente continua

Rendimiento amplificador clase C

Para calcular el ancho de banda en un circuito amplificador clase C y saber más sobre su diseño, se utiliza la siguiente expresión:

BW = f₁ + f₂

f₁ = frecuencia de potencia media inferior

f₂ = frecuencia de potencia media superior

¿Qué es la frecuencia de potencia media?

La frecuencia de potencia media es igual a la frecuencia en donde la ganancia de voltaje es de 0.707 veces la ganancia máxima, Mientras menor ancho de banda tengamos, obviamente se estrechará el ancho de banda del amplificador.

A partir de aquí, se puede obtener otra ecuación para el ancho de banda donde se incluya el factor de calidad del circuito:

En esta expresión queda claro que el ancho de banda es inversamente proporcional al factor de calidad del circuito (Q). Generalmente un amplificador clase C tiene un factor de calidad que sobrepasa los 10 puntos, lo que nos lleva a que el amplificador tiene un ancho de banda menor que 10% de la frecuencia de resonancia, por esto se dice que el amplificador clase C trabaja en un ancho de banda angosta.

Polarización de un amplificador clase C

Si has estado el pendiente de los demás amplificadores de potencia, sabrás que una de las partes esenciales de estos dispositivos es la polarización, y el amplificador clase C no se salva.

Existen tres formas de polarizar un amplificador clase C: polarización de cátodo, polarización fija y polarización por escape de reja, la cual es la más utilizada (y en la que nos vamos a centrar). Estas técnicas de polarización usualmente se utilizan de forma individual, pero pueden utilizarse en conjunto si así lo deseas.

La polarización por medio de escape de reja es la más utilizada debido a que impide la necesidad de usar una fuente de polarización extra, liberando el circuito del amplificador; además, esta polarización se distingue por regularse por sí misma, ajustando sus valores pico del voltaje de excitación de reja de forma automática.

Sin embargo, no todo es perfecto; para llevar a cabo esta técnica de polarización, se deben tomar ciertos cuidados, pues una ausencia de señal de excitación puede ocasionar mucha corriente de placa, dañando las válvulas del circuito amplificador (si las tiene). Puedes proteger el circuito utilizando de forma conjunta otra técnica de polarización o conectando en serie un relevador de sobrecarga de corriente.

Tipos de acoplamiento en amplificadores clase C

En los amplificadores clase C, se pueden utilizar dos tipos de acoplamiento: el acoplamiento inductivo y el acoplamiento capacitivo. Estos acoplamientos son utilizados en los aquellos circuitos de acoplamiento de salida de placa y circuitos de acoplamiento de reja. Es importante incluir un acoplamiento a la hora de diseñar un amplificador clase C, pues este nos permitirá obtener una máxima transferencia de potencia.

Existen varias configuraciones o redes de acoplamiento con elementos concentrados que se pueden utilizar en el diseño de un amplificador clase C:

• Red tipo L
• Red de tipo T
• Y red de tipo π

La más utilizada es la red de adaptación o acoplamiento tipo L.

Red de adaptación tipo L

Este tipo de red utiliza elementos reactivos en su estructura. Se le llama red en L debido a que las conexiones de estos elementos forman una “L”. A continuación, te dejo los diagramas de conexión para que los conozcas:

Red tipo L cuando R < RL

Red tipo L cuando R > RL

Neutralización en amplificadores clase C

¿Qué significa neutralizar? Pues, de forma simple, el neutralizar un amplificador clase C significa aplicar una retroalimentación extra entre la corriente de colector (placa) y reja; como resultado, se debe reflejar una resistencia en el circuito de reja. Esto tiene como objetivo el cancelar el efecto de resistencia negativa, producto de la corriente a través de la capacitancia de reja-placa.

Una de las redes de neutralización más utilizada en amplificadores clase C para radiofrecuencia, es la de banda angosta, la cual puede realizarse conectando un inductor y un capacitor en serie entre la reja y la placa. Lo que se obtiene de esta neutralización es la suma de una reactancia inductiva con la red de neutralización; esta reactancia inductiva neutraliza por completo la reactancia capacitiva reja-placa.

Aplicaciones de los amplificadores clase C

Uno de los puntos que más se han repetido en todo el artículo, es el que dice que los amplificadores clase C no son ideales para el campo del audio, (como pueden ser otros amplificadores) debido a que la distorsión provocada por los pulsos de corriente en la salida sería un grave problema.

El campo en donde reina el amplificador clase C es el de las telecomunicaciones y la radiofrecuencia (RF), ya que los sistemas que se utilizan requieren una potencia de salida eficiente, detalle que el amplificador clase C puede lograr, si este es sintonizado de forma correcta.

Se encuentran, por ejemplo, en generadores de frecuencia portadora en transmisores de radio AM y FM; en este último, podrás encontrar el amplificador clase C en la etapa final de transmisión.

Para seleccionar que sistemas o dispositivos pueden utilizar un amplificador clase C, se debe considerar los niveles de potencia de salida de dichos dispositivos, pues este punto determina si un dispositivo puede utilizar un amplificador clase C, e incluso permite el cálculo y análisis si se decide diseñar un amplificador clase C.

Vìdeo del amplificador clase C

Hemos llegado al final de artículo, y si estás leyendo ahora mismo esto, ¡felicidades! Sé que no ha sido un viaje corto, pero si se que con los aprendizajes que se encuentran aquí, podrás complementar de una gran manera el conocimiento que has juntado sobre los amplificadores de potencia y su diversidad. 

Como ya sabes bastante bien, el amplificador clase C, a pesar de no funcionar para el mundo del sonido, tiene una gran importancia en aplicaciones destinadas a las telecomunicaciones y la radiofrecuencia, siendo el protagonista de muchos sistemas de emisión y recepción, como las radios y las televisiones. En conjunto con sus primos amplificadores, forman toda una familia de amplificadores muy eficientes en muchas aplicaciones de la electrónica. 

Como es costumbre por estos paisajes, no me voy a ir sin antes darte algunos puntos rápidos que vale la pena recordar en esta racha final. ¿Lista/o? 

• El amplificador clase C es un tipo de amplificador que utiliza un circuito resonante o LC.
• Un circuito resonante o también llamado “circuito tanque” es un circuito que combina reactancias capacitivas e inductivas (capacitores y bobinas).
• El amplificador clase C tiene una fuerte aplicación de radiofrecuencia, ya que puede proveer un incremento en el nivel de potencia.
• Los amplificadores clase C NO son ideales para usarse en aplicaciones de sonido, pues la distorsión producida por sus pulsos armónicos sería un gran problema.
• El amplificador clase C es muy parecido al amplificador clase B; no obstante, el amplificador clase C en vez de tener un circuito de contrafase, tiene un circuito tanque o resonante.
• Una característica especial de los amplificadores clase C, es que su rendimiento va del 85% al 100%.
• De forma práctica, el amplificador clase C basa su funcionamiento en la amplificación de una señal de entrada para que la señal de salida sea de alto rendimiento dependiendo de un rango de frecuencia.
• Existen tres redes principales de acoplamiento: red tipo L, red de tipo T y red de tipo π. La red de acoplamiento tipo L es la más utilizada.

Sin más, te deseo muchísimo éxito en todos tus proyectos, espero haya sido de tu agrado este artículo, no olvides compartir este articulo a quien creas que le ayudará, de esta forma, también me ayudas a mí y a mi trabajo.