Amplificador de audio con transistor: aumento de ganancia mediante una nueva polarización
En una práctica anterior se construyó un amplificador de audio sencillo utilizando un transistor BJT y un micrófono electret. Dicho circuito funcionaba con una alimentación reducida de aproximadamente 1,5 V, permitiendo comprobar experimentalmente el principio básico de amplificación mediante transistor.
Sin embargo, una alimentación tan reducida limita considerablemente la excursión de la señal de salida y, por tanto, la ganancia útil que puede obtenerse.
En esta nueva práctica se modifica el circuito anterior para trabajar con una alimentación de 12 V, realizando además cambios en los valores de los componentes con el objetivo de mejorar la polarización del transistor y aumentar la amplitud de la señal de audio obtenida en el colector.
La práctica anterior servirá como punto de comparación. Los estudiantes deberán observar cómo pequeñas modificaciones en la polarización y en los componentes pueden producir diferencias importantes en el comportamiento del amplificador.
Del amplificador básico al amplificador de mayor ganancia
El nuevo circuito continúa utilizando la configuración de emisor común, una de las configuraciones más utilizadas cuando se requiere obtener ganancia de voltaje.
En esta configuración:
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La señal de entrada se aplica a la base del transistor.
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La salida se obtiene desde el colector.
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El emisor constituye el punto común entre la entrada y la salida.
La principal diferencia con el circuito anterior es que ahora se dispone de una fuente de 12 V, lo cual permite establecer un punto de operación más adecuado y obtener una mayor variación de voltaje en el colector.
Antes de construir o modificar el circuito, es importante que el estudiante compare ambos diseños, identificando especialmente:
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El aumento de la tensión de alimentación.
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El nuevo valor de la resistencia de base.
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El nuevo valor de la resistencia de colector.
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La incorporación de la resistencia de 10 ohmios en el circuito del micrófono.
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El capacitor conectado en paralelo con la resistencia del emisor.
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El capacitor de acoplamiento ubicado en la salida del colector.
Estos cambios no son arbitrarios. Cada uno cumple una función determinada dentro del proceso de amplificación.
La resistencia de polarización de base
La resistencia conectada entre la fuente de alimentación y la base del transistor, identificada como Rb, tiene como función proporcionar la corriente necesaria para establecer la polarización del transistor.
De forma aproximada, la corriente de base puede calcularse mediante:
Ib = (Vcc − Vbe) / Rb
Considerando una alimentación de:
Vcc = 12 V
y una caída aproximada entre base y emisor de:
Vbe ≈ 0,7 V
se tiene:
Ib = (12 − 0,7) / Rb
El valor de Rb determina directamente la corriente de base. Si esta resistencia es demasiado pequeña, circulará una corriente excesiva y el transistor podría acercarse a la saturación. Por el contrario, si su valor es demasiado elevado, la corriente de base podría resultar insuficiente y el transistor trabajaría cerca del corte.
Por esta razón, el valor seleccionado debe permitir establecer un punto de operación adecuado.
Una vez determinada la corriente de base, puede realizarse una estimación de la corriente de colector mediante:
Ic ≈ β · Ib
donde β representa la ganancia de corriente del transistor.
Debe recordarse que el valor real de β puede variar considerablemente incluso entre transistores del mismo modelo. Por este motivo, estos cálculos deben considerarse una aproximación y la comprobación experimental del circuito sigue siendo fundamental.
La resistencia de colector y su influencia en la ganancia
La resistencia Rc cumple dos funciones importantes.
En primer lugar, limita la corriente que circula por el colector. Además, transforma las variaciones de corriente del transistor en variaciones de voltaje, produciendo así la señal amplificada de salida.
Cuando una pequeña señal de audio modifica la corriente de base, también se produce una variación en la corriente de colector.
Esta variación puede expresarse aproximadamente como:
ΔVc = ΔIc · Rc
Por tanto, cuanto mayor sea la variación de corriente y adecuada sea la resistencia Rc, mayor será la variación de voltaje disponible en el colector.
Esta es precisamente una de las razones por las cuales el circuito de 12 V puede proporcionar una señal de salida considerablemente mayor que el circuito anterior alimentado con solamente 1,5 V.
Sin embargo, aumentar Rc indefinidamente tampoco mejora necesariamente el circuito. Una resistencia demasiado elevada puede reducir excesivamente la corriente de colector y desplazar el transistor hacia una región de funcionamiento inadecuada.
El diseño del amplificador consiste precisamente en encontrar un equilibrio entre corriente, polarización y excursión de la señal.
La resistencia de 10 Kohmios en el circuito del micrófono
Una de las especificaciones fundamentales en el diseño del preamplificador es la incorporación de una resistencia de 10 kΩ (R3) asociada a la línea de alimentación del micrófono electret.
El micrófono electret contiene en su interior un transistor FET que requiere una corriente de polarización continua para funcionar. La función principal de esta resistencia de 10 kΩ es limitar y estabilizar dicha corriente a un nivel seguro y adecuado para la cápsula.
A diferencia de un valor pequeño, una resistencia de 10 kΩ produce una caída de tensión considerable según la Ley de Ohm:
Vr = I * R
Por ejemplo, para una corriente típica de trabajo de 0.5 mA (0,0005 A):
Vr = 0,0005 A * 10000 Ω = 5 V
En un sistema alimentado con +12 V, esta caída de 5 V deja aproximadamente +7 V disponibles en el terminal positivo del micrófono, un valor óptimo dentro de la ventana de operación estándar de la mayoría de los electrets comerciales (de 2 V a 10 V).
Observación didáctica:
El valor de 10 kΩ es un estándar muy conveniente en esta topología alimentada a +12 V. Se recomienda que los estudiantes realicen mediciones con el multímetro en el punto de unión entre la resistencia y el micrófono para verificar la tensión de polarización real y la corriente resultante. Esta práctica permitirá comprobar cómo el valor teórico elegido satisface los requerimientos de la cápsula sin saturar ni distorsionar la señal de audio generada antes de pasar al condensador de acople de continua (C3).
La resistencia del emisor y la estabilidad del circuito
La resistencia conectada al emisor cumple una función importante en la estabilización del transistor.
Si la corriente del transistor aumenta debido, por ejemplo, a una variación de temperatura, también aumenta la caída de tensión sobre la resistencia del emisor:
Ve = Ie · Re
Como consecuencia, aumenta el voltaje del emisor y disminuye la diferencia de potencial entre base y emisor.
Esto produce una reducción de la conducción del transistor, generando un efecto de realimentación negativa.
Por esta razón, la resistencia de emisor ayuda a estabilizar el punto de funcionamiento del amplificador.
Sin embargo, esta estabilidad tiene un efecto secundario: también puede reducir la ganancia de las señales de audio.
Para resolver este problema se incorpora un capacitor en paralelo con la resistencia del emisor.
El capacitor conectado en paralelo con la resistencia del emisor
Esta es una de las modificaciones más importantes del nuevo diseño.
La resistencia del emisor es útil para estabilizar el funcionamiento en corriente continua, pero para las señales alternas de audio puede reducir la ganancia.
Al conectar un capacitor en paralelo con dicha resistencia se consigue un comportamiento diferente para corriente continua y para la señal de audio.
Para corriente continua, el capacitor se comporta prácticamente como un circuito abierto, por lo que la resistencia del emisor continúa estabilizando el punto de operación.
Sin embargo, para las señales alternas, el capacitor presenta una reactancia capacitiva:
Xc = 1 / (2πfC)
A medida que aumenta la frecuencia, la reactancia capacitiva disminuye.
Por ejemplo, considerando un capacitor de 1000 µF y una frecuencia de 100 Hz:
Xc ≈ 1 / (2 × 3,1416 × 100 × 0,001)
Xc ≈ 1,59 ohmios
Este valor es muy pequeño frente a una resistencia de emisor de varios cientos de ohmios.
Por tanto, para la señal de audio el capacitor ofrece un camino de baja impedancia, reduciendo el efecto de realimentación negativa en corriente alterna y permitiendo obtener una mayor ganancia.
En términos sencillos:
La resistencia del emisor ayuda a estabilizar el transistor, mientras que el capacitor permite recuperar una mayor ganancia para la señal de audio.
Este principio debe ser comprobado experimentalmente por los estudiantes. Una excelente prueba consiste en observar la amplitud de la señal de salida con el capacitor conectado y posteriormente retirarlo del circuito.
La diferencia obtenida permitirá visualizar claramente la función de este componente.
El capacitor de salida en el colector
La señal amplificada se obtiene en el colector del transistor. Sin embargo, en este punto existe tanto una componente de corriente continua correspondiente a la polarización como una componente variable correspondiente a la señal de audio.
Si se conectara directamente una etapa posterior, esta componente de corriente continua podría afectar su funcionamiento.
Por esta razón se utiliza un capacitor de acoplamiento en la salida.
El capacitor bloquea la componente continua y permite el paso de la señal alterna de audio.
Su comportamiento depende nuevamente de la reactancia capacitiva:
Xc = 1 / (2πfC)
Para que las frecuencias de audio puedan atravesar el capacitor con una atenuación reducida, su valor debe seleccionarse considerando la impedancia de entrada de la etapa siguiente.
El capacitor y la resistencia o impedancia conectada después de él forman un filtro pasa-altas cuya frecuencia aproximada de corte es:
fc = 1 / (2πRC)
Por ejemplo, si el capacitor de salida es de 100 µF y la resistencia de entrada de la siguiente etapa es de 10 kΩ:
fc = 1 / (2 × 3,1416 × 10000 × 0,0001)
fc ≈ 0,16 Hz
Esto significa que, para una carga de 10 kΩ, las frecuencias de audio estarán muy por encima de la frecuencia de corte y podrán atravesar fácilmente el capacitor.
Sin embargo, si el circuito se conecta a una carga de baja resistencia, el comportamiento cambia considerablemente.
Por ejemplo, un parlante de 8 ohmios no constituye una carga adecuada para conectar directamente a este amplificador de pequeña señal. La baja impedancia exigiría una corriente mucho mayor y reduciría considerablemente la señal disponible en el colector.
Por esta razón, este circuito debe considerarse principalmente una etapa de preamplificación, destinada a entregar una señal de mayor amplitud a una etapa posterior de potencia.
Comparación entre ambos amplificadores
La parte más importante de esta práctica consiste en comparar el circuito anterior con el nuevo diseño.
Los estudiantes deberán comprobar experimentalmente:
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La tensión de alimentación utilizada en cada circuito.
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La amplitud de la señal obtenida en el colector.
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El efecto de los nuevos valores de Rb y Rc.
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El efecto del capacitor conectado en paralelo con la resistencia del emisor.
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El efecto del capacitor de salida.
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La diferencia de ganancia entre ambos amplificadores.
La comparación fundamental deberá realizarse observando la señal de entrada y la señal de salida.
La ganancia de voltaje puede determinarse aproximadamente mediante:
Av = Vsalida / Ventrada
Por ejemplo, si una señal de entrada tiene una amplitud de 20 mV y la salida presenta una amplitud de 1 V:
Av = 1 / 0,02 = 50
Por tanto, el circuito estaría proporcionando una ganancia aproximada de 50 veces.
No es necesario que los valores obtenidos experimentalmente coincidan exactamente con los cálculos teóricos. Las características reales del transistor, del micrófono y de los componentes utilizados pueden producir diferencias.
Lo importante es comprobar que el nuevo diseño permite obtener una amplitud de salida significativamente mayor que la obtenida con el circuito alimentado a 1,5 V.
Modificación de la placa construida anteriormente
Una ventaja importante de este nuevo circuito es que los estudiantes no necesitan necesariamente fabricar una placa completamente nueva.
La placa utilizada en la práctica anterior puede modificarse para implementar este nuevo diseño.
Como puede observarse, la modificación principal consiste en desplazar la resistencia que anteriormente ocupaba la posición correspondiente y generar el espacio necesario para incorporar el capacitor en paralelo con la resistencia del emisor.
Para realizar esta modificación será necesario:
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Retirar o desplazar la resistencia de 300 ohmios según el nuevo diseño.
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Realizar las perforaciones adicionales necesarias.
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Incorporar el capacitor correspondiente en paralelo con la resistencia del emisor.
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Modificar los valores de Rb y Rc de acuerdo con el nuevo circuito.
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Adaptar la alimentación para trabajar con 12 V.
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Incorporar el capacitor de acoplamiento en la salida.
De esta manera, los estudiantes podrán reutilizar la placa fabricada anteriormente, comprendiendo además un aspecto importante del trabajo práctico en electrónica: un circuito previamente construido puede evolucionar mediante modificaciones y mejoras, sin necesidad de comenzar siempre desde cero.
Una práctica orientada a comprender la ganancia
El objetivo de esta práctica no debe limitarse a construir un circuito que produzca una señal más intensa.
El estudiante debe comprender por qué la ganancia aumenta.
El incremento de la tensión de alimentación proporciona una mayor posibilidad de excursión para la señal de salida. Los nuevos valores de polarización permiten establecer un punto de funcionamiento más adecuado. La resistencia de colector transforma las variaciones de corriente en variaciones de voltaje, mientras que el capacitor conectado en paralelo con la resistencia del emisor reduce la realimentación negativa para la señal alterna y permite aumentar la ganancia.
Finalmente, el capacitor de salida permite separar la componente continua de polarización de la señal de audio que será enviada a una etapa posterior.
El resultado es un amplificador de pequeña señal considerablemente más adecuado para continuar desarrollando sistemas de audio.
Actividad propuesta
Como parte de la práctica, se recomienda realizar la siguiente comparación:
Primero se deberá comprobar el funcionamiento del amplificador original alimentado a baja tensión. Posteriormente, se modificará la placa para implementar el nuevo diseño de 12 V. Finalmente, se deberán comparar las amplitudes de entrada y salida obtenidas en ambos circuitos, calculando experimentalmente la ganancia aproximada de cada configuración.
De esta manera, la práctica permitirá observar directamente cómo la polarización, la alimentación y los componentes externos del transistor influyen sobre la capacidad de amplificación del circuito.
Siguiente etapa
Aunque este circuito proporciona una mayor ganancia de voltaje, todavía se trata de una etapa de pequeña señal. La señal obtenida en el colector puede utilizarse para alimentar otras etapas, pero no está diseñada para entregar directamente una potencia considerable a un parlante de baja impedancia.
El análisis y construcción de una etapa capaz de aumentar la potencia de la señal de audio será abordado en una práctica posterior. Allí se estudiará la diferencia entre ganancia de voltaje, ganancia de corriente y potencia, así como la necesidad de utilizar etapas específicas para alimentar cargas como parlantes.
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