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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Amplificadores de potencia con BJT: la clase A

Los amplificadores en configuración Emisor Común (Common Emited) son el tipo de amplificador más comúnmente usado, ya que pueden tener una ganancia de voltaje muy grande. Estos amplificadores están diseñados para producir una gran oscilación de voltaje de salida desde un voltaje de señal de entrada relativamente pequeño de solo unos pocos milivoltios y se usan principalmente como "amplificadores de pequeña señal" como ya vimos en otras entradas.

La función principal del amplificador de potencia, que también se conoce como "amplificador de señal grande", es suministrar potencia, que es el producto del voltaje y la corriente de la carga. Básicamente, un amplificador de potencia también es un amplificador de tensión, con la diferencia de que la resistencia de carga conectada a la salida es relativamente baja, por ejemplo, un altavoz de 4 Ω o 8 Ω resulta en corrientes altas que fluyen a través del colector del transistor.


Transistor BTJ en configuración Emisor Común para amplificación de c.a.

El tipo más comúnmente utilizado de configuración de amplificador de potencia es el amplificador clase A. El amplificador de Clase A es la forma más simple de amplificador de potencia que utiliza un solo transistor de conmutación en la configuración de circuito de emisor común estándar como se ha visto anteriormente para producir una salida invertida. El transistor siempre está polarizado en "ON" para que conduzca durante un ciclo completo de la forma de onda de la señal de entrada, produciendo la mínima distorsión y la máxima amplitud de la señal de salida.

Esto significa que la configuración del amplificador de clase A es el modo de funcionamiento ideal, ya que no puede haber distorsión de cruce o desconexión a la forma de onda de salida incluso durante la mitad negativa del ciclo. Las etapas de salida del amplificador de potencia de Clase A pueden usar un único transistor de potencia o pares de transistores conectados entre sí para compartir la corriente de alta carga.

Dado que estamos interesados ​​en entregar la máxima potencia de c.a. a la carga, mientras consumimos la mínima potencia de CC posible del suministro, nos preocupa principalmente la "eficiencia de conversión" del amplificador. Sin embargo, una de las principales desventajas de los amplificadores de potencia y especialmente del amplificador de Clase A es que su eficiencia de conversión general es muy baja, ya que las grandes corrientes significan que se pierde una cantidad considerable de energía en forma de calor.

Amplificador de potencia: la Clase A

 
 

Aclaraciones sobre los amplificadores de clase

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Algunos trucos y apps gratuitas para ecualizar el audio de tu ordenador y que suene -casi- perfecto

El sonido final que escuchamos de salida en un ordenador es, por norma general, producto de una larga cadena de procesos informáticos. Incluye tanto componentes de software como de hardware y un mal sonido resultante suele ser víctima de incompatibilidades entre estas dos partes.

Puede que tu equipo no suene bien

Partiendo desde la base, primero tenemos que conocer un poco las características de nuestro equipo. Si operamos bajo Windows, algunos de estos problemas ocurren por el controlador ASIO.

¿ASIO qué? Este es un protocolo que provee una baja latencia entre hardware y software, mejorando el retardo en la respuesta de la señal.

La solución sencilla pasa por instalar el driver ASIO4ALL, un controlador genérico y gratuito que funciona con la mayoría de tarjetas de sonido.

También debemos tener presente los recursos que el sistema reserva y destina a las aplicaciones. En este particular, lo ideal es mantener los sistemas en alto rendimiento. En Windows 7, desde Inicio > Panel de control, en Windows 8 y 10 desde la barra de Accesos y Configuración > Panel de control. Desde ahí habremos de ir a Sistema y Seguridad > Opciones de energía y activar la modalidad Alto Rendimiento.


activando la opción de "alto rendimiento" para aprovechar todo el hardware

Qué es eso de “ecualizar”

Una noción breve: subiendo y bajando los controles o deslizadores, un ecualizador permite incidir sobre la amplitud y volumen de las frecuencias del espectro sonoro. Podemos alterar la intensidad de los tonos básicos a través de sus rangos de Herzios: graves, medios y agudos. De ahí que en muchos ecualizadores, cuando pinchamos en preconfiguraciones como la etiqueta metal se cambie la gráfica a una forma de V, dando prioridad a graves y agudos.

O cuando escuchamos música folk y de cantautor la gráfica tenga forma de dos jorobas, porque se preferencia el brillo de ciertas frecuencias de medios. Este es un principio básico que se utiliza desde el estudio de grabación a la mezcla final.

Un ecualizador divide la señal de audio en rangos de frecuencias: los graves quedan comprendidos por debajo de los 250 Hz (y desde los 20 Hz), los medios entre los 250 Hz y los 3.500 Hz y los agudos están situados por encima de los .3500 Hz (y hasta los 20.000 Hz). Y esas divisiones deberían al menos hacerse para cada octava musical, lo que nos lleva a 10 "cortes" al mosno. Así que ya sabes: controlar el flujo de sonido en las distintas frecuencias adecuado al tipo de tema no es cosa de tocar un botón y ya está: hay que currárselo más.


ecualización del espectro sonoro en función del número de reguladores o controladores de tono

El oído humano está sujeto a muchas alteraciones —edad, sexo, presión ambiental— pero podríamos decir, en líneas generales, que nuestro espectro audible comprende desde los 20 hasta los 20.000 Herzios. No obstante, para la reproducción del sonido en los equipos electrónicos no siempre se dispone de la tecnología necesaria para reproducir todo ese espectro sonoro con una calidad mínima:

  • para reproducir claramente los bajos hasta los 20 Hz necesitaríamos de una altavoz de más 10 pulgadas de diámetro (25,4 cm),
  • y para oir nítidamente los agudos hasta los 20 kHz sería necesario otro altavoz muy distinto: un tweeter de escasos centímetros.
  • el "amplificador" que genera la señal que va a los altavoces ha de ser de un mínimo de calidad; no vale cualquier cosa.


definitivamente, si quieres escuchar música con calidad, elige un equipo de calidad…

Por todo ello sólo podemos disfrutar realmente de un sonido de calidad en un equipo HiFi o con unos cascos de calidad (y no, esos cacharritos que te metes en los oídos definitivamente no sirven).

Buscando el sonido perfecto


configuración del hardware de nuestra tarjeta de sonido Realtek

Como decíamos, si queremos que el audio de nuestro ordenador suene correctamente primero debemos actualizar los drivers a su versión más reciente. En Windows es habitual encontrarse con Realtek HD y su retahíla de codecs, siempre presente en la barra inferior derecha. Pinchando y accediendo desde la Configuración de los altavoces, podemos pasar del estéreo (nunca el estéreo combinado) al cuadrafónico o sonido 5.1, siempre y cuando dispongamos de cuatro o cinco altavoces (aquí el sonido gana y mucho).

Los chasquidos habituales o cortes en el audio vienen por un funcionamiento errático del software. Lo recomendable es anular esos procesos que se ejecutan en segundo plano para optimizar el rendimiento de la CPU. En Windows, desde el Administrador de tareas simplemente debemos hacer click sobre la ficha Aplicaciones y, desde ahí, seleccionar al programa que esté respondiendo mal y pulsar Finalizar Tarea.

Mejorando el sonido con APO Equalizer


alguna de las amplias posibilidades de Equalizer APO

Equalizer APO es una maravilla como pocas. Programado de manera independiente por Jonas Thedering, este software exclusivo y gratuito para Windows permite aplicar distintos filtros a distintas entradas, aunque no incluye preconfiguraciones.

Una vez instalado, pinchando con click derecho en el icono del altavoz podremos seleccionar los dispositivos de reproducción activos. Desde ahí seleccionamos la salida que utilicemos en cada caso —auriculares, HDMI o VGA— y podremos revisar todas las opciones, como aplicar una ecualización concreta y guardarla a modo de preset. Incluye además una serie de configuraciones avanzadas para los más exigentes.

Pero para que a Equalizer APO le podamos sacar todo el partido de una manera más efectiva y accedas al control de más efectos, instálate luego Peace Equalizer, que es el complemento ideal; también de uso libre.


control de ecualización con Peace Equalizer de Equalizer APO

Modificando el sonido desde nuestra app favorita

Si escuchamos música en iTunes, desde el menú Ventana podemos acceder al ecualizador. Spotify tiene una opción muy escasa desde escritorio, accediendo desde las preferencias de la aplicación y seleccionando Reproducción > Ecualizador. Su compañera ideal en este caso es Equalify, un ecualizador de diez bandas con diferentes versiones, desde gratuitas hasta profesionales.


apariencia del ecualizador Equalify para

Otros reproductores gratuitos poco utilizados

VLC, siempre poco aprovechado


clic en la imagen superior para acceder al website de VLC

VLC, por otro lado, se tiene equivocadamente como una app exclusiva para vídeo. Nada más lejos de la realidad: como reproductor de audio planta cara perfectamente a iTunes o MediaMonkey. Incluye, lógicamente, un completísimo ecualizador de serie que puede modificarse según los diferentes canales de salida.

AIMP, pruébalo y disfruta


clic en la imagen superior para acceder al website de AIMP,
el reproductor ruso de uso libre multi-plataforma

AIMP, el reproductor multimedia de origen ruso, estaba orientado originalmente a la reproducción de audio de calidad; hoy en día puedes utilizarlo gratuitamente hasta para acceder a tus emisoras on-line. Con su ecualizador gráfico de 1/2 octava (20 cortes dan para mucho), ajustable incluso para cada canción; su DSP (Procesador digital de sonido) con sus efectos regulables de coro, reverberancia, eco, realce, flanger, tono; su gestión de librería multimedia y listas de reproducción…. ¡Ah! ¿Te he dicho que además se le pueden poner "máscaras" súper-chulas a mansalva?


no, no es una foto de un equipo HiFi; es una "máscara" de AIMP

Todo ello hace de AIMP una herramienta básica imprescindible para escuchar música con un nivel más que aceptable de calidad. Si se lo instalas (es de libre uso, y sin ad-aware ni engañifas añadidas) te encantará.


Para terminar, conviene echar un vistazo de vez en cuando al ecualizador maestro de nuestro equipo. En Windows es habitual encontrarse con el apartado dentro del driver —en Entorno— o desde el icono de Altavoz del que, pinchando con click derecho, podemos activar el controlador de volumen. Ya saben lo que dice la Navaja de Ockham: a veces la teoría más simple trae la mejor solución.

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Presentación del Proyecto SMEDiaMM

Sistema Modular Electro-óptico para Diagnóstico Médico Multimagen

El proyecto Sistema Modular Electro-óptico para Diagnóstico Médico Multimagen (SMEDiaMM) pretende desarrollar una serie de sistemas modulares que permitan modificar su disposición para la obtención de imágenes útiles para el diagnóstico médico. La utilidad de estas imágenes estará ligada al tipo de excitación lumínica que se utilice, a los elementos ópticos empleados y a los sistemas electrónicos de barrido que permitirán obtener modelos tridimensionales o hiperespectrales.

Para el desarrollo del proyecto se construirá un banco de pruebas que alojará sistemas ópticos y electrónicos similar a la figura 1.


Figura 1. Infografía del setup de pruebas a desarrollar

Los módulos propuestos para su desarrollo se pueden englobar en tres tipologías atendiendo a su función en el sistema:

  • Módulos de excitación: Son módulos que permiten iluminar la escena con una serie de parámetros definidos. Se pretenden diseñar tres: módulo excitación con LED infrarrojos, módulos con excitación línea laser y módulo con fuente de Luz blanca. Otros módulos de excitación con patrones de imagen se quedan de momento al margen de este proyecto.
  • Módulos de barrido: Permiten orientar la excitación o la imagen en situaciones de excitación con línea o en la recepción de línea para cámaras hiperespectrales.
  • Módulo de captura y procesado: compuesto por una cámara visible y su óptica correspondiente pudiéndose modificar esta última en función de su aplicación. Así como el módulo software de procesado que podrá basarse en paquetes comerciales como MATLAB o en módulos de software libre basados en lenguaje de programación PYTON y OPENCV.

Todos estos sistemas deben estar sincronizados, pero inicialmente no se prevé un módulo de sincronización.

El sistema de modelado 3D biomédico estará basado en un montaje similar al que se representa en la figura 2, donde la perspectiva de la proyección laser permitirá la obtención de parámetros geométricos de los objetos a escanear mediante un barrido motorizado ejecutado de forma automática.


Figura 2. Esquema del sistema modular a desarrollar en su uso para modelado 3D dimensional.

La utilidad de un prototipo como el que se presenta desarrollar persigue la implementación de análisis morfológico de objetos a través del modelado 3D de objetos, así como la aplicación de técnicas hiperespectrales cuyas aplicaciones pueden ser el diagnóstico de patologías, análisis epidérmico y caracterización de órganos entre otras.

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Amplificación (3): amplificadores de varias etapas

En la gran mayoría de los amplificadores, sobre todo en audio, nos encontramos que no conseguimos amplificar las señales de entrada con un sólo dispositivo o etapa amplificadora, necesitamos colocar varias etapas una detrás de otra, para conseguir finalmente una señal lo suficientemente grande en tensión y con la suficiente intensidad de suministro de intensidad, como para "atacar" los altavoces con la potencia requerida.

En esta entrada veremos cómo se realiza el planteamiento de las sucesivas etapas para conseguir una correcta amplificación. También nos ocuparemos de los principales problemas que surgen al unir unas etapas con otras: ¿Qué pasa con la transferencia de tensión? Y ¿Cómo afecta la Impedancia de una etapa sobre la siguiente?

Echaremos mano, como en otras ocasiones, del Canal de Youtube Electrónica FP, con ese profesor tan enrollado que nos hace entretenido el aprendizaje de los conceptos de electrónica.

Amplificador multietapa

 

Modos de acoplamiento entre etapas amplificadoras

 

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