Amplificador Push – Pull

Vamos a analizar los amplificadores de audio desde lo más simple a lo más complejo. El audio es un tema muy especial porque es el primer circuito complejo con el que suele experimentar un estudiante. Por complejo nos referimos a que tiene mas de 5 transistores o un circuito integrado.

Y lo mas simple que vamos a analizar en esta entrega es una etapa de salida push-pull (literalmente: tira y afloja) a transistores bipolares. Vamos a dejar de lado los amplificadores a transformador (técnicamente Clase A) porque ya no se utilizan en ningún equipo dado su bajo rendimiento.

La generación de calor en los transistores de salida

En la lección anterior comparamos los transistores de salida con un potenciómetro y dijimos que el problema de los transistores es que nunca se llegan a cerrar o a abrir del todo y entonces cuando circula la corriente que opera al parlante se calientan debido a que cuando circula una corriente por un resistor se genera potencia eléctrica y por lo tanto calor. Y donde hay calor hay perdida de rendimiento.

La potencia de la fuente de poder no se transforma solo en energía sonora; parte se transforma en calor. Los rendimientos clásicos de una etapa de salida están tan solo en el 60% aproximadamente. Esto no solo significa que la fuente debe entregar mas energía, sobre todo implica que los elementos que desperdician esa energía transformándola en calor son precisamente los mas caros de un amplificador: los transistores de salida y que el único modo de protegerlos es montándolos sobre disipadores de aluminio que son caros y voluminosos.

Pero para que un transistor se pueda montar sobre un disipador debe ser un transistor especial. Debe tener una superficie de montaje plana que haga un buen contacto mecánico con el disipador y entonces pasan a llamarse transistores de potencia. En la figura 1 se pueden observar los dos tipos mas comunes de transistores de potencia que existen en el momento actual.

Fig. 1 Encapsulados clásicos de transistores de potencia

• Observe que en ambos casos los transistores tienen una o dos perforaciones que permiten montarlos sobre un disipador de aluminio.
• La superficie de montaje suele estar conectada al colector (por lo menos en los dos tipos de encapsulados que mostramos) de modo que si el disipador esta conectado a tierra, o vamos a usar el mismo disipador para montar dos componentes se debe realizar un montaje que los aísle eléctricamente y los acople térmicamente al disipador.
• Por lo general se utilizan aisladores de mica o de plástico conductor del calor y niples de plástico para los tornillos de modo que los colectores que están conectados a la carcaza en el TO3 o a la chapita de montaje del TO220 queden eléctricamente aislados y disponibles para el circuito.

Nota1: la carcaza del encapsulado TO3 no posee pata de conexión por lo tanto la misma se debe efectuar a través de uno de los tornillos de anclaje o de un terminal semilla montado en la cabeza del tornillo y conectado con un cable.

Nota2: ya sea que se use o no se use aislador de mica, o de plástico, para que el transistor este térmicamente conectado al disipador, se debe utilizar grasa siliconada entre las superficies de apoyo de los transistores y el disipador.

Circuito de la etapa de salida push – pull

En la figura 2 mostramos el circuito mas básico posible de una etapa de salida de audio con fuente positiva solamente conectada a un generador de funciones lista para excitar un parlante.

Fig.2 Amplificador de potencia básico excitado por un generador de funciones

Analizando el circuito se observa que consta de dos transistores de potencia complementarios: Q1 que es un NPN y Q2 que es un PNP. Q1 se encarga de hacer circular corriente desde la fuente al parlante cargando además a C1 y Q2 se encarga de hacer circular corriente desde el parlante a masa descargando al capacitor C1.

La palabra cargar y descargar es aquí prácticamente metafórica; porque realmente C1 se carga y descarga muy poco durante cada ciclo (la tensión sobre él prácticamente no varía) aun a la frecuencia mas baja que puede reproducir el circuito y que se estima en unos 25Hz. Pero el concepto debe quedar bien claro: C1 se carga desde la fuente y se descarga a masa aunque solo sea unos mV.

El encargado de excitar a estos transistores es el llamado transistor driver Q3 (la traducción literal de driver es conductor o chofer, es decir el que maneja algo pero preferimos dejar el término en Ingles).

En la entrega anterior llegamos a la conclusión que cuando un amplificador se alimentaba desde una sola fuente positiva (en nuestro caso 12V) la tensión de reposo de la salida debía ser exactamente igual a la mitad de la tensión de fuente (en nuestro caso 6V) para que cuando recortara los dos semiciclos de la salida lo hiciera parejo.

En nuestro circuito inicial la fuente de polarización es el mismo generador de funciones, que tiene la posibilidad de variar tanto la alterna como la continua de salida. Para comenzar colocamos una señal muy pequeña de entrada (1 mV o menos) y medimos la tensión de salida ajustándola en 6V por modificación de la tensión de offset del generador.

Luego podemos levantar la señal alterna lentamente y observar con un osciloscopio sobre la salida que la misma se genera sobre un eje de continua de 6V. Ver la figura 3 en donde se puede observar que con 100 mV de señal de entrada se obtiene una señal de salida que oscila entre 2,68 y 9,14V. es decir unos 3,2V de pico lo cual implica una ganancia de unas 32 veces en tensión. Pero lo mas importante es que la impedancia de salida del amplificador es suficientemente baja como para alimentar a un parlante de 8 Ohms.

Fig.3 Oscilograma de salida del amplificador elemental

Aquí podemos observar que la señal de salida es aceptablemente senoidal sin embargo tiene una distorsión cerca del punto donde la salida se cruza con los 6V de polarización que vamos a analizar y corregir en el apartado siguiente.

La distorsión por cruce

La distorsión por cruce se puede apreciar mejor si reducimos la señal de entrada y además acoplamos el osciloscopio a la alterna para poder aumentar la sensibilidad. Al mismo tiempo y para entender porque se produce vamos a conectar el otro haz del osciloscopio en las bases de los transistores de salida.

Fig.4 Oscilograma detallado de la distorsión por cruce

En verde se puede observar la señal en las base en tanto que en rojo se puede observar la señal de salida (emisores). Observe que el cursor de lectura rojo del osciloscopio se ajustó a un valor de tensión de entrada de unos 530 mV positivos y que recién en ese valor comienza a aparecer tensión en los emisores de la salida debido a la barrera base emisor del transistor Q1. Algo similar ocurre en el semiciclo negativo en donde el cursor de lectura azul se ajustó en el punto en que la tensión de las bases es -530 mV.

En síntesis podríamos decir que la distorsión por cruce se produce porque en cierto momento no conduce ni Q1 ni Q2.

Y ese momento es precisamente cuando la señal de entrada pasa por cero. Esta es una falla de todos los amplificadores a transistores bipolares y se podría solucionar colocando una batería entre las bases en lugar de un puente. El oscilograma nos indica que si colocamos una batería de 530 + 537 mV entre las bases, apenas deja de conducir un transistor comienza a conducir el otro y desaparece la distorsión por cruce.

Fig.5 Circuito con la distorsión por cruce corregida con una pila

En la figura 6 se pueden observar los oscilogramas de base de Q1 y de emisores en donde la distorsión desapareció por completo.

Fig.6 Corrección de la distorsión por cruce usando una batería

Sin embargo es evidente que se trata de una solución poco práctica por dos razones. La batería es un componente que debe reponerse y además la compensación es dependiente de la temperatura porque como ya sabemos las barreras de los transistores varía a razón de -2,5 mV/ºC. La solución debe ser práctica y debe estar compensada en temperatura. Existe mas de una solución pero la mas completa consta de un preset y un transistor BC548 conectado según el circuito de la figura 7.

Fig.7 Corrección de la distorsión por cruce utilizando un transistor y un preset

La idea es generar una tensión entre colector y emisor de Q4 que reemplace a la batería. Pero como esa tensión ahora es ajustable se realiza la medición de corriente de colector de Q1 (que en realidad es prácticamente igual a la corriente por Q2) con el miliamperímetro del tester, a un valor de unos pocos miliamperes, para asegurarse que cuando la señal de entrada este dentro de la faja de 0 a 550 mV los dos transistores conduzcan una pequeña corriente.

Revisando el oscilograma de salida y de base de Q1 encontramos que es igual al de la figura 7. Este circuito está además compensado en temperatura porque cuando baja la barrera de los transistores de salida también baja la barrera de Q4 y este conduce una mayor corriente de colector achicando la tensión entre las bases. Solo hay que tener la precaución de poner a Q4 en contacto térmico con el disipador de los transistores de salida para que los tres transistores estén a la misma temperatura.

La máxima excursión de salida

Para obtener el mejor rendimiento de un amplificador es necesario que pueda sacar una salida pico a pico igual a la tensión de fuente con la cual se alimenta. Pero ese es un máximo teórico inalcanzable. Si observamos el circuito básico de la fig. 5 podremos notar que la salida podrá llegar hasta el valor de fuente. Solo podrá llegar hasta donde lo permita la resistencia interna del transistor.

Cuando la salida llega al máximo circula la máxima corriente por la carga y se produce una caída de tensión en Q1 igual a la resistencia de saturación del transistor multiplicada por la corriente que circula. La tensión de fuente menos esa caída es el máximo valor al cual puede llegar la tensión de salida del amplificador.

La salida mínima está aun en peor condición porque a la resistencia interna de Q2 se le suma otro problema. La base de Q2 solo puede llegar a cero volt cuando Q3 esta saturado y por lo tanto el emisor de Q2 quedará 600 mV por arriba de ese valor.

Vamos a realizar ahora una simulación aumentando la señal de entrada para ver a que niveles reales llega la salida (máximo y mínimo) pero vamos a dejar el osciloscopio conectado también en la base de Q1 para entender cual es el problema que limita la tensión de salida.

Fig.8 Tensión de salida máxima del amplificador

Como podemos observar la tensión de salida en rojo llega hacia abajo hasta alrededor de 1V, que es el valor teorizado, pero hacia arriba no llega a superar los 9,5V (señal roja o gris oscura en ByN). Pero también observamos que la señal de base no supera los 10,2V y por lo tanto no se puede esperar que la de emisor crezca mas. El limite la base de Q1 podría llegar a 12V si la base del Q1 no tomara corriente. Pero la base de un transistor de potencia toma bastante corriente porque son transistores que difícilmente tengan un beta mayor a 30 y por lo tanto requieren una buena corriente de excitación.

El capacitor de bostrap

El problema se solucionaría conectando el resistor R1 a una tensión mayor (de unos 15V por ejemplo) para que la base de Q1 pudiera subir hasta los valores deseados. Pero generalmente esa tensión no existe y por lo tanto se recurre a generarla en el mismo circuito utilizando la misma tensión de salida.

El circuito se completa con un resistor y un capacitor que tiene nombre propio: el capacitor de bostrap (literalmente “atraparse los propios pies”).  Apenas se conecta el circuito a la fuente, aun sin señal la tensión en la unión de los resistores de colector de Q3 se genera una tensión de 9V (6V en la pata inferior de R1, 12V en la pata superior de R4 y por lo tanto 9V en la unión de los resistores). El capacitor se carga con 3V porque la salida tiene 6V y el punto de unión de los resistores 9; y como es suficientemente grande para no descargarse en todo el ciclo de trabajo mantiene a la unión de los resistores en Vs+3 (tensión de salida mas 3 voltios). Cuando la tensión de salida es la máxima llega a los 15V y asegura la saturación de Q1.

Fig.9 Agregado del circuito de bostrap

Como se puede observar ahora la tensión puede subir hasta prácticamente 12V y bajar hasta 1V, porque los dos resistores partidos de colector R1 y R4 y el capacitor de bostrap, generan una tensión en la unión de los resistores que tiene un pico máximo de unos 15V y por lo tanto Q1 se puede saturar sin inconvenientes. Note que al aumentar la tensión de fuente de R1 nos vimos obligados a bajar el valor de R2 para que el driver Q3 pudiera llegar a la saturación aumentando su corriente de base.

En este punto parecería que el circuito ya está funcionando correctamente pero aun tiene varios problemas. El primero es que se polariza desde una fuente externa (el generador de funciones) y el segundo es que la señal parece bastante deformada. Inclusive hay un tercer problema que es la inestabilidad de la tensión de salida sin señal. La tensión de salida (6V en nuestro caso) no debe variar con la temperatura y nuestro circuito no tiene nada que la estabilice (y los transistores se calientan bastante mas que la temperatura ambiente).

Todas estas calamidades se resuelven con un proceso llamado de realimentación negativa que requiere un estudio muy profundo porque se lo utiliza en incontables circuitos electrónicos y posee inclusive mas virtudes que las enumeradas.

La realimentación negativa de  CC y de CA

La fuente de alimentación de la base de Q3 podría colgarse desde la fuente de 12V. Quizás serviría un simple resistor que ponga la salida en 6V. Pero también podría tomarse desde la salida misma si se tiene la precaución de filtrar la tensión alterna que esta tiene.

Esto asegura la estabilidad de corriente continua del sistema contra variaciones de temperatura. En una palabra se forma lo que se llama un lazo de realimentación negativa. Imagínese que por cualquier razón, al calentar al dispositivo, la tensión continua de salida baje de 6 a 5 V. El resistor de polarización, al tener menos tensión hace circular menos corriente por la base del primer transistor. Esto implica menos corriente por el colector del mismo y por lo tanto una suba de la tensión de colector. Al subir la tensión de colector sube también la tensión de salida y compensa la reducción original.

Fig.10 Autopolarización con realimentación negativa

El ajuste de la tensión de salida en 6V se realizó aquí por modificación de la resistencia R5. Observe que primero se bajó la señal de entrada para que la tensión de salida sea prácticamente una continua. Si simplemente agregamos el resistor R5 el circuito tiene resuelto el problema de la estabilidad de CC pero sigue persistiendo la distorsión que marcamos en el circuito original.

La distorsión se debe a la característica alineal de los transistores; el fabricante trata de fabricarlos lo mas lineales que pueda, pero hay consideraciones físicas imposible de salvar lo cual nos obliga a utilizar alguna solución similar a la utilizada para estabilizar el circuito contra las variaciones de temperatura. ¿Se puede diseñar una realimentación negativa que mejore la distorsión? Se puede y está agregada al circuito en paralelo con el resistor R5. Observe que se agregó R6, pero para no alterar la autopolarización con este agregado se colocó C4 que bloquea la CC de la salida, de modo que no pase por R6. Por R6 solo pasará la CA con destino a la base de Q3 y si lo analizamos con detalle estamos agregando una señal que se opone a la señal de entrada.

En efecto cuando la señal de entrada sube, la señal de colector de Q1 baja y por lo tanto baja la salida. La salida se renvía a la entrada formándose un divisor de tensión entre R5 y R2 que a los efectos de la realimentación de CA es como si estuviera conectado a masa debido a que C3 tiene un valor de capacidad elevado y el generador tiene una resistencia interna casi nula. Una consecuencia de esta realimentación negativa es la reducción de sensibilidad del amplificador, pero el efecto de la realimentación reduce enormemente la distorsión como se puede observar en el oscilograma de la figura 11.

Fig.11 Introducción de la realimentación negativa

Aquí podemos observar que ahora debemos aumentar la señal de entrada de 60 mV a 660 mV es decir casi 10 veces para compensar la realimentación negativa de R6. Pero la señal de salida es perfectamente sinusoidal (salvo los recortes de los picos que desaparecen si bajamos un poco la señal de entrada). La consecuencia (reducir la distorsión) es la buscada pero en realidad aun no sabemos porque se produce.
Se produce por una sencilla razón. La señal de entrada colocada en el extremo izquierdo de R2 es perfectamente sinusoidal. La señal de salida colocada en el extremo derecho de R5 también sería sinusoidal si el amplificador fuera perfecto. En este caso en la base de Q3 tendríamos una resta de señales

Vb = Ve – K . Vs

en donde K representa el proceso de amplificación en los transistores y de atenuación en R5 y R2. La atenuación en R5 y R2 no tiene distorsiones pero la amplificación de los transistores si. En la práctica sabemos que el semiciclo negativo esta comprimido (ver el oscilograma 9). Esto significa que hay menos tensión de salida en el pico negativo que en el positivo y por lo tanto hay menos realimentación negativa y un aumento proporcionalmente mayor de este semiciclo que del positivo.

Conclusiones

En esta lección analizamos un amplificador de potencia básico. Tan básico que me animo a decir que es el amplificador mas económico que se puede fabricar. No lo hicimos con la intención de indicarlo como producto industrial (ya indicaremos circuitos que el lector puede fabricar y vender) pero nuestro amplificador elemental posee todos los órganos que tiene uno mucho mas complejo. Es un dispositivo didáctico y estamos seguros que muchos técnicos que fabricaron amplificadores de audio mas completos, recién hoy entendieron los conceptos básicos de la amplificación de potencia.

En la próxima lección vamos a aprender a medirle las características a los amplificadores. Sabemos que nuestro amplificador es capaz de entregarle una tensión de 1 KHz con una amplitud pico a pico de 11V, a un parlante de 8 Ohms cuando le colocamos una señal de entrada de 660 mV (valor normalizado de señal de entrada de un amplificador o de 0dBm). Pero no podemos evaluar correctamente las características del mismo sin someterlo a una serie completa de mediciones que el armador debería realizar en todos sus amplificadores.Vamos a someter a nuestro sencillo amplificador a todas las pruebas posibles y vamos a obtener algunos datos prácticos imprescindibles para armar amplificadores. Vamos a medirle la potencia máxima que puede entregar; el consumo sobre la fuente; el rendimiento; la posibilidad de conectarle un parlante de 4 Ohms (o dos en paralelo de 8); como agregarle un control de volumen; cual es su respuesta en frecuencia; cual es su distorsión armónica total; como se modifica la respuesta en bajos y en agudos; cual es su resistencia interna de salida y todo lo que a Ud. se le pueda ocurrir.

Además vamos a aprender a repararlo siguiendo un método de trabajo que luego pueda servirnos para reparar amplificadores mas complejos. Y lo vamos a hacer siguiendo el criterio del reparador. Eso le va a servir posteriormente para reparar cualquier otro equipo incluyendo un TV a LCD o plasma, porque el criterio es siempre el mismo. Yo lo llamo dividir para reparar y lo aplico desde que di mis primeros pasos en la electrónica hace medio siglo.

Mi ayudante, que corrige lo que escribo, es aficionado a los amplificadores de audio y armó desde quipos valvulares (Willansom) hasta los digitales de última generación y me confesó que recién hoy, después de leer este artículo entendió intuitivamente algunos conceptos que siempre aplicó pero que el fondo no comprendía totalmente.

Apéndice
Metodología de trabajo con laboratorios virtuales

Todo lo vamos a hacer utilizando el laboratorio virtual Workbench Multisim tal como lo hicimos en la presente lección. Por si el lector no se dio cuenta, le aclaro que para diseñar nuestro amplificador elemental yo no use nada mas que el laboratorio virtual, mi conocimiento del tema y el criterio. No realice una sola cuenta con la calculadora; solo puse los componentes y ajusté sus valores por tanteo.

En otra época sin el WB tal ves tendría que haber estado un par de días calculando y armando el prototipo para asegurarme que no me había equivocado. Hoy demoré un par de horas en diseñarlo por tanteo, sin considerar el tiempo que me llevó escribir todo el procedimiento, de un modo que creo que no puede ser mas didáctico.

Y en la próxima lección vamos a inaugurar un método didáctico nunca empleado hasta ahora. En lugar del clásico interrogatorio, le vamos a entregar junto con el artículo varios archivos de WB. Estos archivos tienen nuestro circuito amplificador con un material dañado (sin que se lo note el dibujo). Ud deberá correr el archivo y utilizando los instrumentos del WB, repararlo cambiar el componente que considera dañado y probarlo para estar seguro que funciona.

Póngase en campaña para conseguir un WB si es que no lo tiene ya, porque no existe ninguna razón para no tenerlo en su PC. Para mi es la herramienta mas poderosa que puede tener un reparador y Ud. no se puede perder esta experiencia didáctica única. La respuesta con los materiales dañados no va a salir publicada. Si no puede reparar el amplificador póngase a estudiarlo nuevamente y vuélvalo a intentar hasta que funcione. No vale cambiar todos los materiales; debe hallar la falla por deducción.