La amplificación de la señal de audio es una de las aplicaciones más conocidas de los transistores. Para entender cómo ocurre esto, es importante conocer algunas características de los transistores, sus formas de polarización y también algunos componentes que forman parte de los circuitos amplificadores.
Los transistores pueden encontrarse en diferentes formatos y potencias. Existen transistores de baja potencia, utilizados principalmente para trabajar con señales de baja intensidad, y transistores de potencia, diseñados para soportar mayores niveles de corriente, tensión y disipación de potencia, dentro de los límites especificados por el fabricante.
Los transistores de pequeña señal normalmente disipan poca potencia durante su funcionamiento. Esto no significa que no puedan calentarse, pero, en las condiciones normales para las que fueron diseñados, la disipación suele ser pequeña.
Por otro lado, los transistores de potencia están construidos para trabajar en situaciones en las que la disipación de potencia puede ser considerablemente mayor. Por ello, dependiendo de la aplicación, puede ser necesario utilizar disipadores de calor.
El transistor 2N3055
Un transistor muy conocido en los circuitos de potencia es el 2N3055.
Este transistor posee un encapsulado metálico de tipo TO-3 y, al observarlo, podemos ver únicamente dos terminales aislados en la parte inferior. Esto puede resultar algo extraño, ya que sabemos que un transistor BJT posee tres terminales: base, colector y emisor.
En el 2N3055, el propio encapsulado metálico está conectado eléctricamente al colector, funcionando como el tercer terminal.
Es importante destacar que esto no ocurre simplemente porque el colector sea “el elemento que más se calienta”. El calor se produce en el dispositivo semiconductor durante su funcionamiento y debe ser conducido desde la unión hasta el encapsulado y, cuando sea necesario, hasta un disipador de calor.
La ganancia de corriente del transistor
Una de las características importantes de un transistor BJT es su ganancia de corriente.
Esta ganancia puede representarse mediante βDC o hFE y relaciona, de manera simplificada, la corriente de colector con la corriente de base:
βDC = IC / IB
Así, conociendo aproximadamente la ganancia de corriente y la corriente aplicada a la base, podemos estimar la corriente de colector mientras el transistor esté trabajando en la región apropiada de operación.
Sin embargo, es importante entender que el hFE no es un valor fijo.
Al consultar la hoja de datos de un transistor, normalmente encontramos un rango de valores. La ganancia puede variar de un transistor a otro y también depende de factores como la corriente de colector y la temperatura.
Por ello, en un proyecto no debemos considerar que dos transistores del mismo modelo tendrán necesariamente exactamente la misma ganancia.
¿Cómo probar un transistor con un multímetro?
Podemos comprender de forma simplificada un transistor BJT imaginando sus uniones internas como dos uniones PN.
Esta característica permite realizar algunas pruebas utilizando un multímetro.
En los multímetros digitales actuales, lo más indicado es utilizar la función de prueba de diodos.
En un transistor NPN en buen estado, colocando la punta positiva del multímetro en la base, debemos observar una caída de tensión típica de una unión de silicio cuando colocamos la punta negativa en el emisor y después en el colector.
Al invertir las puntas, normalmente no debería producirse una conducción significativa en estas uniones.
En el caso de un transistor PNP, las polaridades utilizadas en la prueba se invierten.
También podemos verificar el camino entre el colector y el emisor. En un BJT simple, fuera del circuito y sin corriente aplicada a la base, normalmente no esperamos una conducción significativa entre el colector y el emisor.
Esta prueba es útil para identificar algunos defectos, principalmente transistores en cortocircuito, pero no sustituye un análisis completo del componente en sus condiciones reales de funcionamiento.
Clases de amplificación
Los amplificadores pueden clasificarse según la manera en que sus dispositivos activos conducen la señal.
Entre las clases más conocidas se encuentran la Clase A, Clase B y Clase AB.
Cada una presenta características diferentes en cuanto a polarización, eficiencia y distorsión.
Amplificador Clase A
En la Clase A, el transistor permanece conduciendo durante todo el ciclo de la señal, es decir, posee un ángulo de conducción de aproximadamente 360 grados.
Para ello, el transistor se polariza de manera que permanezca en su región activa incluso cuando no existe una señal de audio aplicada a la entrada.
Esta característica permite amplificar todo el ciclo de la señal utilizando el mismo dispositivo y evita la distorsión de cruce característica de determinadas etapas de Clase B.
La desventaja es su baja eficiencia.
Incluso cuando no existe señal en la entrada, el transistor continúa conduciendo corriente y disipando potencia. Por ello, una parte considerable de la energía suministrada por la fuente se transforma en calor.
La eficiencia máxima teórica depende de la configuración utilizada. En una etapa de Clase A con carga resistiva, por ejemplo, la eficiencia máxima teórica es relativamente baja y puede alcanzar aproximadamente el 25%.
Esto explica por qué los amplificadores de Clase A normalmente requieren una atención especial a la disipación térmica.
Amplificador Clase B
En la Clase B, el dispositivo se polariza de manera que conduzca aproximadamente durante la mitad del ciclo de la señal, es decir, aproximadamente 180 grados.
En una etapa de salida complementaria, podemos utilizar dos transistores: uno actúa predominantemente durante el semiciclo positivo y el otro durante el semiciclo negativo.
Esta configuración presenta una eficiencia mayor que la Clase A.
Sin embargo, existe un problema en la región en la que la señal cruza por cero.
En los transistores de silicio se necesita una determinada tensión entre la base y el emisor para que la conducción sea significativa. En una etapa complementaria de Clase B, esto puede crear una pequeña región próxima al cruce por cero en la que ninguno de los dos transistores conduce adecuadamente.
El resultado es una deformación de la señal conocida como distorsión de cruce.
Por lo tanto, no se trata exactamente de que el transistor “no interprete” señales entre 0 V y 0,7 V. El problema está en la forma en que las uniones base-emisor de los transistores comienzan a conducir en la región próxima al cruce de la señal.
Amplificador Clase AB
La Clase AB busca combinar algunas características de las Clases A y B.
En este caso, los transistores se polarizan de manera que conduzcan durante un poco más de la mitad del ciclo. De esta forma, el ángulo de conducción se encuentra entre 180 y 360 grados.
Esta pequeña superposición entre la conducción de los dispositivos ayuda a reducir la distorsión de cruce presente en una etapa ideal de Clase B.
Por ello, la Clase AB se utiliza ampliamente en amplificadores de audio, ofreciendo un compromiso interesante entre eficiencia y baja distorsión.
Los capacitores en los circuitos de audio
Los capacitores son componentes muy importantes en los circuitos amplificadores.
Existen diferentes tipos de capacitores, clasificados según características como el material dieléctrico, la tecnología de fabricación, la construcción y la aplicación.
Muchos capacitores utilizados en electrónica no poseen una polaridad definida. Sin embargo, algunos tipos son polarizados, como gran parte de los capacitores electrolíticos de aluminio.
También existen capacitores electrolíticos desarrollados específicamente para utilizarse sin una polaridad definida, conocidos como bipolares o no polarizados.
Por ello, es importante comprobar siempre las características del componente que se va a utilizar.
Capacitor de acoplamiento
Una aplicación muy común del capacitor en los circuitos amplificadores es el acoplamiento entre etapas.
El capacitor de acoplamiento permite el paso de la componente alterna correspondiente a la señal de audio y bloquea la componente continua entre los diferentes puntos del circuito.
Esto es importante porque cada etapa puede tener su propia polarización en corriente continua.
El capacitor no debe entenderse literalmente como un cortocircuito para cualquier señal de CA.
Su oposición al paso de corriente alterna se denomina reactancia capacitiva y depende de la frecuencia y de la capacitancia:
Xc = 1 / (2πfC)
Cuanto mayor sea la frecuencia o la capacitancia, menor será la reactancia capacitiva.
Por ello, el valor del capacitor de acoplamiento debe elegirse teniendo en cuenta la impedancia del circuito y la frecuencia más baja que deseamos transmitir adecuadamente.
Frecuencias de una guitarra
Cuando trabajamos con amplificadores para instrumentos musicales, debemos considerar el rango de frecuencias que queremos reproducir.
En el caso de una guitarra con afinación estándar, la frecuencia fundamental de la cuerda Mi grave es de aproximadamente 82 Hz.
Esto significa que no podemos considerar, por ejemplo, que 1 kHz sea la frecuencia más baja de interés para una guitarra.
Además de las frecuencias fundamentales producidas por las cuerdas, la señal contiene diversos armónicos, que se extienden a frecuencias mucho más elevadas y tienen una gran influencia sobre el timbre del instrumento.
Por lo tanto, al dimensionar los capacitores de acoplamiento de un amplificador para guitarra, debemos tener en cuenta tanto las frecuencias más bajas del instrumento como el rango de armónicos que deseamos preservar.
Una frecuencia de corte de 100 Hz, por ejemplo, ya se encuentra por encima de la frecuencia fundamental de la cuerda Mi grave, de aproximadamente 82 Hz. Dependiendo del objetivo del circuito, esto puede provocar cierta atenuación de las frecuencias más graves.
Capacitor de desacoplamiento
Otra aplicación importante es el capacitor de desacoplamiento de la alimentación.
Este capacitor ayuda a reducir ruidos, variaciones rápidas de tensión y señales no deseadas presentes en la línea de alimentación.
En determinadas condiciones, un amplificador puede presentar oscilaciones de baja frecuencia conocidas como motorboating. Este fenómeno puede estar relacionado con la realimentación no deseada a través de la alimentación y con un desacoplamiento inadecuado entre las etapas.
El capacitor de desacoplamiento ayuda a proporcionar un camino de baja impedancia para determinadas componentes alternas y transitorios presentes en la alimentación.
Sin embargo, no debe entenderse como una solución para una pila o batería descargada. Si la fuente no puede suministrar la tensión y la corriente necesarias al circuito, es necesario solucionar el problema de la propia alimentación.
Capacitor en paralelo con la resistencia de emisor
En algunos amplificadores encontramos un capacitor conectado en paralelo con la resistencia de emisor del transistor.
La resistencia de emisor es importante para la estabilización del punto de operación del transistor, pero también introduce una forma de realimentación negativa que reduce la ganancia de la etapa para señales alternas.
Al colocar un capacitor en paralelo con esta resistencia, podemos reducir esta realimentación para las frecuencias en las que la reactancia del capacitor es suficientemente baja.
De esta forma, conseguimos aumentar la ganancia de tensión de la etapa para la señal de audio, sin eliminar simplemente el efecto estabilizador de la resistencia de emisor sobre la polarización en corriente continua.
Por lo tanto, el aumento de la ganancia no se produce simplemente porque el capacitor “disminuya la impedancia de entrada”. Su principal efecto es reducir la degeneración o realimentación negativa de emisor para la señal alterna.
Disipación de calor en los transistores
Cuando un transistor trabaja en un amplificador, parte de la potencia eléctrica puede transformarse en calor.
En una aproximación simple para un transistor BJT, una parte importante de esta disipación puede estimarse mediante:
P ≈ VCE × IC
donde VCE es la tensión entre colector y emisor e IC es la corriente de colector.
Esto significa que un transistor puede disipar una cantidad considerable de potencia cuando existe simultáneamente una tensión significativa entre colector y emisor y una corriente elevada circulando por el dispositivo.
El calor se produce en la región activa del semiconductor, y un parámetro muy importante es la temperatura de la unión, normalmente indicada como Tj.
Esta temperatura no puede superar el límite máximo especificado por el fabricante.
Disipador de calor
Cuando la potencia disipada por el transistor es elevada, el propio encapsulado puede no ser suficiente para transferir el calor al ambiente.
En este caso utilizamos un disipador de calor.
El objetivo es facilitar la transferencia del calor producido en el transistor al ambiente, manteniendo la temperatura de la unión dentro de límites seguros.
Entre el transistor y el disipador también puede utilizarse una pasta o compuesto térmico.
Su función es rellenar pequeñas irregularidades existentes en las superficies de contacto, reduciendo la resistencia térmica entre el encapsulado del componente y el disipador.
Existen diferentes tipos de compuestos térmicos, con diferentes formulaciones y características. Por lo tanto, no necesitan tener necesariamente un determinado color o una composición específica.
Dependiendo del encapsulado y del circuito, también puede ser necesario utilizar aislantes eléctricos entre el transistor y el disipador, principalmente cuando alguna parte metálica del encapsulado esté conectada eléctricamente a uno de los terminales del transistor.
Entendiendo la amplificación de la señal de audio
La amplificación de audio implica mucho más que simplemente aumentar la amplitud de una señal.
Cuando analizamos un amplificador, necesitamos comprender la polarización de los transistores, su clase de operación, la ganancia, los capacitores de acoplamiento y desacoplamiento, la respuesta en frecuencia y la disipación térmica de los componentes.
Comprender estos conceptos ayuda no solo a montar circuitos que ya existen, sino también a identificar problemas, realizar modificaciones y desarrollar nuevos proyectos.
Es precisamente esta comprensión práctica de los componentes y de los circuitos la que permite avanzar en el estudio de la Electrónica Aplicada al Audio y profundizar en temas específicos de Amplificadores y Electrónica de Válvulas.
Referencias bibliográficas
BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11.ª Edición: São Paulo: Pearson, 2013.
BORTONI, Rosalfonso. Amplificadores de Áudio. 1.ª Edición: Rio de Janeiro: H Sheldon, 2002.
CARVALHO, Antônio Carlos Lemos; SILVA, Davinson Mariano. Laboratório de eletrônica analógica e digital. 1.ª Edición: São Paulo: Senai SP, 2015.
MALVINO, Albert y BATES, David. Eletrônica. 7.ª Edición: Porto Alegre: Mc Graw Hill, 2007.
SADIKU, Matthew y ALEXANDER, Charles. Fundamentos de circuitos elétricos. 5.ª Edición: Porto Alegre: Mc Graw Hill, 2013.