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Por qué usar línea de 100 V (en instalaciones de audio)

Por definición un amplificador de potencia debe amplificar tensión y corriente y de está forma entregar una determinada potencia a una carga determinada (los bafles, en este caso); si nosotros definimos una tensión constante de 100 V y dejamos solo como variables la potencia y la carga, estamos definiendo lo que denominamos línea de tensión constante de 100 V.

Post 82 Esquema Línea de 100V
Esquema de Línea a 100 V

Desde hace muchas décadas se viene empleando para la distribución de señal de audio en instalaciones electroacústicas la línea de 100 V, este método posibilita el conexionado de muchos altavoces a un único amplificador, posibilitando también distribuir la potencia adecuada a cada transductor.

De está forma simplificamos el conexionado y limitamos las pérdidas de potencia en largos cableados, básicamente consiste en utilizar un transformador de audio para elevar la tensión de salida del amplificador a un nivel de 100V, reduciendo así la corriente a transportar por los cables, y volver a reducir esta tensión, mediante otro transformador, al llegar al altavoz, hasta el valor apropiado a la impedancia y potencia de éste.

  Altavoz para línea de 100
Altavoz para línea de 100 V (colocación en plafón)

El cálculo con está técnica de nuestra instalación electroacústica es muy sencillo, debemos definir cuantos altavoces queremos conectar a una misma línea de tensión constante, una vez determinado esto sumamos las potencias que queremos que entregue cada altoparlante, esto nos da la potencia total que deberá manejar nuestra línea de tensión constante, debemos alimentar esta línea con un amplificador que entregue esa potencia, al mismo debemos dotarlo de un transformador de la misma potencia que tenga una salida de tensión constante de 100V.

Los bafles y altavoces que vienen preparados para línea de 100 V traen un transformador con varias derivaciones que permiten seleccionar la potencia a entregar al altavoz desde un máximo pasando por pasos de menor potencia, esto nos permite seleccionar la potencia a entregarle a cada transductor de acuerdo a nuestra necesidad, por supuesto la potencia total de nuestra línea es conveniente calcularla en función de la máxima potencia de los parlantes por el número de estos.

Actualmente con las nuevas tecnologías en amplificación es posible en instalaciones con muchos transductores emplear un amplificador sin transformador de salida, de hecho un amplificador que pueda entregar 1.250 W sobre una carga de 8 ohm es un amplificador por definición de 1.250 W para línea de 100 V sin transformador de salida.

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La configuración Darlington de transistores bipolares

El montaje o configuración de transistores bipolares "Darlington" es un tipo especial de configuración en Emisor Común (o también en Colector Común) que tiene una altísima ganancia de corriente. Es una invención (realizada por Sidney Darlington, de los Laboratorios Bell) tan sencilla como efectiva, ya que conseguimos con dos transitores un nivel de ganancia que de otro modo necesitaríamos varias etapas sucesivas amplificadoras.

Está compuesto por dos transistores bipolares comunes que se conectan es cascada, como se muestra en el siguiente gráfico. El éxito del montaje o configuración Darlinton es tal que se fabrican muchos "transistores Darlinton" aunque realmente ya no es un sólo transistor -evidentemente- con esta configuración interna.


transistores bipolares NPN en configuración Darlington

Siendo la β del transistor T1, β1, y la β del transistor T2, β2, se puede llegar a demostrar fácilmente que la βT de la configuración conjunta T1-T2 es aproximadamente: β1 x β2. Con una ganancia en corriente que puede fácilmente llegar a 8.000, un "transistor Darlington" es el dispositivo idóneo para controlar cargas grandes de corriente con corrientes muy pequeñas.

Pero no todo es tan sencillo, el montaje Darlinton tiene algunas "pegas":

  • La tensión de polarización, para que conduzca y amplifique, ha de ser mayor que 2 veces la VBE convencional, ya que ha las uniones B-E de los dos transistores están en serie.
     
  • La tensión C-E del Darlinton no llega a ser tan baja en saturación como la de un simple transistor bipolar, ya que la tensión de la unión B-C del primer transistor juega en su contra; el Darlington se "queda" con una VCE entre 0'7 y 2 volt.
     
  • Al tener que activar las dos uniones B-E, el transistor Darlington es más lento que uno normal, y también es más lento en dejar de conducir. Para paliar esto en parte, se conectan un par de resistencias en paralelo con las uniones B-E de los dos transistores; esto también hace que baje la β del Darlington.


Darlington: las resistencias se ponen para equilibrar 
el funcionamiento de los transistores

  • También tiene un mayor desplazamiento de fase en altas frecuencias que un único transistor, de ahí que pueda convertirse fácilmente en inestable.


parámetros típicos de transistores Darlington convencionales

La configuración Darlington

 

Aplicaciones del Darlington

Con todo, el "transistor Darlington" es ampliamente utilizado en control de motores, regulación de c.c., accionadores de relés, incluso amplificadores de potencia de audio… y en cualquier sistema electrónico que se necesite controlar una gran intensidad con una intensidad muy pequeña.


aplicación típica de un Darlington: excitación de un relé de c.c.

 

 

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Amplificadores de potencia con BJT: la clase C

Los amplificadores de potencia en clase C parten de la premisa siguiente: no se trata de amplificar con calidad la señal de entrada, se trata simplemente de amplificar la señal de entrada de modo que a la salida se obtenga el máximo rendimiento posible pero sólo para un rango de frecuencias muy reducido, en torno a una de "resonancia".

Son amplificadores que desde luego no sirven para señales de audio, por la distorsión. Su campo de aplicación está en las telecomunicaciones, en radiofrecuencia, F, donde se requiere un incremento en el nivel de potencia y no se requiere linealidad entre la tensión de entrada y tensión de salida. Los amplificadores Clase C pueden ser modulados en amplitud para amplificar una portadora modulada en frecuencia.


etapa amplificadora a transistor BJT con circuito tanque resonante

Circuito resonante y la amplificación en clase C

Este tipo de amplificadores se reconoce porque tienen, en lugar de la resistencia de colector típica, un "circuito tanque" formado por un condensador y bobina diseñados para que en un estrecho margen de frecuencias entren en sintonía -por lo que también se le llama "circuito resonante"-y, modiificando la impedancia del circuito L-C produzcan la conducción del transistor. Es por eso que a este tipo de circuitos les llama amplificadores "resonantes" o "sintonizados".

En torno a la frecuencia de resonancia, estos amplificadores obtienen una ganancia altísima; fuera de esta frecuencia, la amplificación es muy reducida y el consumo es mínimo.


la ganancia en tensión está muy localizada en torno a la frecuencia de resonancia

Amplificadores de potencia con BJT: la clase C

Veamos cómo nos lo cuentan nuestros amigos del Canal de Youtube Electrónica FP, esos chicos tan majos:

 

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Amplificadores de potencia con BJT: la clase AB

El problema de "distorsión de cruzamiento" (Crossover Distortion) característico de los amplificadores de clase B se puede reducir considerablemente aplicando un ligero voltaje de polarización hacia adelante a las bases de los dos transistores, de modo que tengan -incluso sin aplicarles señal de entrada- una pequeña polarización en zona activa. Como cada transistor amplica sólo media onda de la señal de entrada, y como a la salida se obtiene la "suma" de la señal de uno y del otro, ese nivel de polarización continua e igual para cada uno la final en la carga va a dar cero, es decir, señal de salida nula mientras no apliquemos señal de entrada a las bases de los transistores.

Este pequeño nivel de polarización se puede construir de varias formas:

  • a través de un pequeño transformador con toma intermedia, cuyo primario es excitado por la señal proveniente de la etapa previa, y cuyo secundario -dividido en dos semi-mitades que generan dos señales iguales pero desfasadas 180º- se conecta a las bases de ambos transistores; entonces cada unión Emisor-Base de cada transistor recibe la misma cantidad de señal pero cada uno recibe el inverso de la señal que le llega al otro. De esta manera, sólo uno va a amplificar cada semi-ciclo de la señal que llega al transformador.
    Y luego, a la salida de los colectores, se ha de montar otro transformador -también con toma intermedia ahora en el primario- que reciba las dos señales invertidas de los colectores de los transistores, y cuyo secundario acabe atacando la resistencia de carga.


polarización de las uniones B-E de los transistores clase B 
mediante transformador con toma intermedia

  • a través de una red de resistencias y diodos de polarización en Emisor-Base de los dos transistores, que en este caso han de ser complementarios (uno NPN y otro PNP). Ambas uniones de ambos transistores han de recibir la misma tensión para polarizarlos escasamente en el comienzo de la zona activa de cada uno, lo que, como ya hemos dicho, darán lugar en la carga a la suma de la amplificación de cada uno de ellos. Este método evita la engorrosa necesidad de transformador excitador en las uniones Base-Emisor y también el otro transformador de salida, que recoja las dos intensidades de los dos colectores.  Por esta razón, esta última solución de polarización de clase B es la más utilizada.
    El nivel de polarización adecuado se ajusta con un par de diodos, cuya unión P-N es similar a la unión B-E de los transistores. Los condensadores separan la componente de c.c. de polarización para que no afecte a la etapa amplificadora previa.


polarización de las uniones B-E de los transistores clase B 
mediante red de polarización con resistencias-diodos

En ambos casos, se trata de que ambos transistores en clase B se encuentren ligeramente polarizados incluso sin señal de excitación, de modo que cuando les llegue la más mínima señal, sean capaces enseguida de amplificarla sin demora, consiguiendo de este modo que la suma de ambos semiciclos -que amplifica cada uno de los transistores-, sea una señal limpia fiel reflejo de la entrada. Eliminamos así la "distorsión de cruzamiento" o de "paso por cero" típica de los amplificadores clase B,

Dada la necesidad de polarización de los transistores, la clase AB tiene algo menos de rendimiento que la clase B, pero compensa sobremanera con la mejora evidente de calidad en la amplificación. Es por ello que la mayoría de los amplificadores de baja y media potencia de audio, incluso HiFi, utilicen esta tecnología para implementar la etapa de potencia de salida.

Amplificadores de potencia con BJT: la clase AB

 

 

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Amplificadores de potencia con BJT: la clase B

Los amplificadores de Clase B usan dos o más transistores polarizados de tal forma que cada transistor solo conduce durante un medio ciclo (realmente, "casi" medio ciclo) de la onda de entrada. Tienen un rendimiento muy superior a los de Clase A y su diseño no es muy complicado, pero sus aplicaciones se limitan enormemente debido a una característica su propio diseño: una distorsión llamada de "cruce por cero". Aún así, se utilizan incluso en amplificadores que no requieran buena fidelidad y sí facilidad de diseño y rendimiento, como los amplificadores de bocinas y megáfonos de mano.

Para mejorar la eficiencia de potencia total del amplificador de clase A previo, reduciendo la potencia desperdiciada en forma de calor, es posible diseñar el circuito amplificador de potencia con dos transistores en su etapa de salida, produciendo lo que comúnmente se denomina amplificador de clase B; también conocido como configuración de amplificador Push-Pull (empuja-tira en español). Para construir este tipo de amplificador se utilizan necesariamente transistores denominados "complementarios", es decir, de las mismas características eléctricas pero con distintas uniones P-N: si uno es del tipo NPN, el otro ha de ser igual pero de tipo PNP. Veamos cómo se construyen:


transistores complementarios BJT en funcionamiento clase B, configuración Push-Pull

Los amplificadores Push-Pull utilizan transistores complementarios de potencia, que reciben la misma señal de entrada que es igual en magnitud, pero en fase opuesta entre sí . Esto da lugar a que un transistor solamente amplifica la mitad o 180º del ciclo de la onda de entrada; mientras que el otro transistor amplifica la otra mitad o restante 180º del ciclo de onda de entrada. Conjuntamente, estas “dos mitades” amplificadas cada una por un transistor, "excitan" o "atacan" la carga o resistencia de salida, dando lugar en ella a la señal completa amplificada.

Por consiguiente, el ángulo de conducción para este tipo de circuito amplificador es escasamente inferior a 180º o 50% de la señal de entrada (para cada transistor). Este efecto de empujar y tirar de los semiciclos alternos por los transistores da a este tipo de circuito su divertido nombre "push-pull", pero en general se lo conoce como el amplificador de clase B.

Realmente los transistores en un amplificadr de clase B no llegan al conducir el 50%, ya que ambos necesitan tener una polarización al menos de 0'65 volt Emisor-Base para empezar a conducir y amplificar. Esto supone que de la señal de entrada, en los primeros 0'65 volt. (positivos y negativos), la señal de salida va a estar a "0". Y sólo cuando en la entrada se superen los 0'65 volt. E-B podrá empezar a amplificar la salida. Esto, al final, produce inevitablemente una falta de amplificación en torno a los valores cercanos a "0" volt. denominada "distorsión de paso por cero" o "distorsión de cruce", característica de los amplificadores en Clase B.


formas de señal de saldia debida a la "distorsión de cruce" o "de paso por 0"
en un amplificador Clase B, Push-Pull

Amplificador de potencia: la Clase B

 

 

La amplificación en clase B y la distorsión de cruce

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