Seguidor emisor: adaptación de impedancias para una carga de 8 Ω

En una práctica anterior se estudió un amplificador transistorizado con polarización por divisor de tensión y salida tomada en el colector. Esta configuración permite obtener una buena amplificación de tensión cuando se conecta una carga relativamente elevada, pero presenta una dificultad importante cuando se intenta conectar directamente un parlante de baja impedancia.

Un parlante típico de 8 Ω constituye una carga muy exigente para una etapa de amplificación de pequeña señal. Por esta razón, en esta práctica se incorpora una segunda etapa basada en un transistor 2N2222 configurado como seguidor emisor, cuya función principal no es proporcionar una gran amplificación de tensión, sino entregar corriente a la carga y reducir la impedancia de salida del amplificador.

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¿Por qué el amplificador anterior no puede alimentar directamente un parlante?

La salida del amplificador con polarización por divisor de tensión estudiado anteriormente se obtiene en el colector. Esta etapa normalmente utiliza una resistencia de colector del orden de cientos de ohmios o algunos kiloohmios.

Supongamos, por ejemplo, que la resistencia de colector es:

$$R_C=1\,k\Omega$$

Desde el punto de vista de la carga, esta resistencia forma parte importante de la impedancia de salida del amplificador.

Ahora intentemos conectar directamente un parlante:

$$R_L=8\,\Omega$$

La diferencia entre ambas resistencias es enorme:

$$\frac{R_C}{R_L}=\frac{1000}{8}=125$$

El parlante representa una carga 125 veces menor que la resistencia de colector.

Si simplificamos la etapa anterior como una fuente de señal con una resistencia interna de aproximadamente $1,k\Omega$, la tensión que realmente llegaría al parlante podría aproximarse mediante un divisor de tensión:

$$V_L=V_S\frac{R_L}{R_o+R_L}$$

Por ejemplo, para una señal de $1,V$:

$$V_L=1\frac{8}{1000+8}$$ $$V_L\approx7,9\,mV$$

Es decir, una señal que originalmente tenía 1 V quedaría reducida a aproximadamente 8 mV sobre el parlante.

Esto explica experimentalmente un fenómeno que puede observarse con facilidad: al conectar directamente el parlante a la salida del amplificador anterior, la señal prácticamente desaparece.

El problema no es que el transistor haya dejado de amplificar. El problema es que la etapa anterior no está diseñada para entregar la corriente necesaria a una carga de 8 Ω.

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El seguidor emisor

Para solucionar este problema se utiliza una configuración denominada seguidor emisor.

En esta configuración:

• la señal se aplica a la base;
• el colector se conecta a la alimentación;
• la salida se obtiene desde el emisor.

La tensión de salida sigue aproximadamente a la tensión de entrada:

$$V_E\approx V_B-0,7\,V$$

Por eso se denomina seguidor: la tensión del emisor sigue las variaciones de la tensión de base.

Su principal ventaja no está en la ganancia de tensión, que es aproximadamente:

$$A_V\approx1$$

sino en que presenta una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, permitiendo entregar una corriente mucho mayor a la carga.

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Polarización del 2N2222

El circuito utiliza una fuente de:

$$V_{CC}=12\,V$$

y un divisor formado por:

$$R_{13}=4,7\,k\Omega$$ $$R_{14}=47\,k\Omega$$

La tensión de base, despreciando inicialmente la corriente de base, es:

$$V_B=V_{CC}\frac{R_{14}}{R_{13}+R_{14}}$$

Sustituyendo:

$$V_B=12\frac{47}{4,7+47}$$ $$V_B\approx10,92\,V$$

Por tanto, considerando aproximadamente $0,7,V$ entre base y emisor:

$$V_E\approx10,92-0,7$$ $$V_E\approx10,22\,V$$

El resistor conectado al emisor tiene un valor de:

$$R_E=47\,\Omega$$

por lo que la corriente de polarización resulta aproximadamente:

$$I_E=\frac{V_E}{R_E}$$ $$I_E=\frac{10,22}{47}$$ $$I_E\approx217\,mA$$

Este cálculo es especialmente importante para la práctica, porque muestra que el transistor ya está trabajando con una corriente considerable incluso antes de considerar la señal de audio.

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¿Por qué ahora sí podemos conectar un parlante de 8 Ω?

La diferencia fundamental es la impedancia de salida.

El seguidor emisor presenta una impedancia de salida mucho menor que la etapa de colector. Por ello, cuando conectamos el parlante, la carga de 8 Ω ya no constituye un divisor de tensión tan desfavorable.

Además, la corriente necesaria para la carga puede ser proporcionada por el transistor.

Por ejemplo, si quisiéramos obtener solamente:

$$V_L=0,5\,V_{RMS}$$

sobre un parlante de 8 Ω, la corriente necesaria sería:

$$I_L=\frac{V_L}{R_L}$$ $$I_L=\frac{0,5}{8}$$ $$I_L=62,5\,mA_{RMS}$$

y la potencia entregada al parlante sería:

$$P_L=\frac{V_L^2}{R_L}$$ $$P_L=\frac{0,5^2}{8}$$ $$P_L=31,25\,mW$$

Esta potencia ya puede producir un sonido audible en un parlante pequeño, especialmente en un ambiente de laboratorio.

Sin embargo, 31 mW no debe confundirse con un amplificador de potencia. Si quisiéramos obtener, por ejemplo, $1,W$ sobre el mismo parlante:

$$V_{RMS}=\sqrt{P R}$$ $$V_{RMS}=\sqrt{1\times8}$$ $$V_{RMS}\approx2,83\,V$$

La corriente necesaria sería:

$$I_{RMS}=\frac{2,83}{8}\approx354\,mA$$

y la corriente de pico alcanzaría aproximadamente:

$$I_{PICO}\approx500\,mA$$

Estos valores ya se encuentran muy por encima de lo que resulta conveniente exigir a un pequeño 2N2222 como transistor de salida.

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Una limitación importante: la potencia del 2N2222

El 2N2222 es un transistor de propósito general muy útil para prácticas de electrónica, conmutación y amplificación de pequeña señal, pero no es un transistor diseñado para entregar grandes potencias de audio.

Dependiendo del fabricante y del encapsulado, su disipación máxima está típicamente en el orden de medio watt, y esta capacidad disminuye cuando aumenta la temperatura.

En nuestro circuito, incluso sin considerar la señal de audio, la corriente calculada anteriormente es aproximadamente:

$$I_E\approx217\,mA$$

y la tensión aproximada entre colector y emisor es:

$$V_{CE}=12-10,22$$ $$V_{CE}\approx1,78\,V$$

Por lo tanto, la potencia instantánea de polarización del transistor se encuentra aproximadamente en:

$$P_Q=V_{CE}I_C$$ $$P_Q\approx1,78(0,217)$$ $$P_Q\approx0,39\,W$$

Esto deja un margen reducido para incrementar considerablemente la señal de audio.

Por ello, el objetivo de esta práctica no es construir un amplificador de 1 W o varios watts, sino demostrar experimentalmente cómo una etapa seguidora puede resolver el problema de adaptación de impedancias y permitir que una señal proveniente de una etapa anterior pueda excitar una carga de baja resistencia.

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El capacitor de salida y el parlante

La salida del emisor posee una tensión continua de polarización de aproximadamente $10,2,V$. Esta tensión no debe aplicarse directamente al parlante.

Por este motivo se utiliza el capacitor:

$$C_8=100\,\mu F$$

El capacitor bloquea la componente continua y permite que la componente variable correspondiente a la señal de audio llegue al parlante.

El parlante utilizado tiene:

$$R_L=8\,\Omega$$

A bajas frecuencias, el capacitor introduce una reactancia:

$$X_C=\frac{1}{2\pi fC}$$

Por ejemplo, a $1,kHz$:

$$X_C=\frac{1}{2\pi(1000)(100\,\mu F)}$$ $$X_C\approx1,59\,\Omega$$

que resulta pequeña frente a los 8 Ω del parlante.

Sin embargo, a frecuencias mucho más bajas la reactancia aumenta, por lo que el capacitor también establece un límite para la reproducción de las frecuencias graves.

Como primera aproximación, considerando solamente el capacitor y los 8 Ω del parlante:

$$f_c=\frac{1}{2\pi R_LC}$$ $$f_c=\frac{1}{2\pi(8)(100\,\mu F)}$$ $$f_c\approx199\,Hz$$

Esto significa que el capacitor de $100,\mu F$ no es especialmente adecuado para reproducir graves profundos con una carga de 8 Ω, aunque resulta perfectamente útil para la demostración didáctica planteada en esta práctica.

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La potencia de audio: un tema para una próxima práctica

La experiencia permite establecer una diferencia fundamental entre amplificación de tensión y amplificación de potencia.

En las primeras etapas estudiadas se busca principalmente obtener una señal de tensión suficientemente grande. Sin embargo, cuando conectamos una carga de baja impedancia, como un parlante de 8 Ω, la tensión debe ir acompañada de una corriente considerable.

Por ejemplo:

Potencia en el parlante	Tensión RMS	Corriente RMS
31 mW	0,50 V	62,5 mA
125 mW	1,00 V	125 mA
500 mW	2,00 V	250 mA
1 W	2,83 V	354 mA

Por tanto, para conseguir un parlante que suene realmente fuerte, no basta con aumentar la tensión de alimentación. Se necesita una etapa capaz de proporcionar la corriente y disipar adecuadamente la potencia involucrada.

Esto conduce naturalmente al siguiente tema de estudio: las etapas de salida de potencia de audio, donde será necesario utilizar transistores de mayor capacidad, una fuente de alimentación capaz de entregar la corriente requerida y, dependiendo de la potencia, disipadores adecuados.

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Conclusión

El seguidor emisor constituye una etapa fundamental para comprender la adaptación de impedancias.

Mientras que el amplificador con salida en colector estudiado anteriormente puede proporcionar una señal de tensión adecuada para una carga elevada, su impedancia de salida resulta demasiado grande para alimentar directamente un parlante de 8 Ω. El seguidor emisor soluciona parcialmente este problema al ofrecer una baja impedancia de salida y una elevada capacidad relativa de entrega de corriente.

Sin embargo, la práctica también permite observar una segunda cuestión fundamental: poder conectar una carga no significa necesariamente poder entregarle mucha potencia. El 2N2222 permite demostrar el principio con una carga pequeña, pero sus limitaciones térmicas y de corriente hacen necesario utilizar una etapa de potencia diferente cuando se desea obtener un volumen elevado.

De esta manera, esta práctica sirve como puente entre las etapas de amplificación de pequeña señal estudiadas anteriormente y el posterior estudio de los amplificadores de potencia de audio.