El transistor como amplificador
Cuando el transistor funciona como interruptor, se le emplea en circuitos digitales y puede tener dos únicos estados: el de corte y el de saturación. Pero para tener un transistor como amplificador, debemos polarizarlo para que trabaje como amplificador de tensión o de corriente.
Los amplificadores de tensión manejan pequeñas señales, y por ende, pequeños niveles de corrientes. Su uso más frecuente es como preamplificador de audio o de radiofrecuencia.
Los amplificadores de corriente pertenecen al campo de los amplificadores de potencia, y ahí manejan altos caudales de corriente y niveles de tensión. Ese es el caso de las etapas de salida de los sistemas de audio, o de radiofrecuencia.
En cualquiera de esos dos usos, los amplificadores pueden tener alguna de estas tres configuraciones:
- Emisor común
- Colector común
- Base común
El transistor como amplificador – Emisor Común
En esta configuración la base se usa como electrodo de entrada de señal, y el colector como salida. Entonces el electrodo común es el emisor.
Para esta configuración, la corriente de entrada es la de la Base, IB, y la de la salida la del Colector, IC. Entonces la ganancia de corriente en Corriente Directa es la razón entre ambas corrientes. A esta relación se la llama Beta (β) ó hFE, que significa Relación de Transferencia en Directo:
β = IC/IB
Amplificadores de tensión
Los amplificadores de tensión se dividen en tres clases:
- Clase A
- Clase B
- Clase C
El amplificador Clase A es el que amplifica los 360° de la señal entrante. El Clase B amplifica 180° de la señal, y el Clase C amplifica menos de 180° de la misma (menos de un semiperiodo).
Amplificador Clase A
Nota: Los valores acá propuestos son meramente aproximados para hacer este ejercicio más práctico.
Para que un transistor amplificador de tensión opere como Clase A, es necesario definirle unos parámetros básicos. Tomemos como ejemplo el transistor de referencia 2N2222 (TO-92), cuyo Beta oscila entre los 100 y 300 (dependiendo de la marca), pero haremos el ejemplo en 200.
Usualmente para esta clase de amplificadores, se asume valores para la corriente de colector en reposo, ICQ, entre 1 y 2 mA. Tomamos para este caso 1 mA.
Asimismo (luego entenderemos el por qué) asumimos como tensión de colector – emisor, en reposo, VCEQ, la mitad de la fuente, es decir VCC/2. Para este ejercicio empleamos una fuente de 12 VCC. Entonces el tema nos queda así:
VCEQ = VCC/2 = 12/2 = 6V
Para que la tensión colector – emisor sea VCC/2, la caída de voltaje en la resistencia de colector, RC, debe tener el mismo valor:
VRC = ICQ x RC = 6V
Entonces el valor de RC lo hallamos con:
RC = VRC / ICQ = 6V / 1mA = 6V / 0,001A = 6000 Ω = 6KΩ
Para mantener una corriente de colector de 1 mA, la corriente de base en reposo, IBQ, para este transistor es:
IBQ = IC/hFE = 1 mA/200 = 0,005 mA ó 5 μA
Entonces, la resistencia que limita la corriente de base, RB, es:
RB = (12V – 0,6V)/ICQ = 11,4/0,005mA = 2,28 MΩ
Pero comercialmente no tenemos resistencias de 2,28MΩ, así que la acercamos a una comercial de 2,2MΩ.
En el simulador de circuitos electrónicos de falstad.com podemos simular este pequeño ejercicio y verificarlo con su osciloscopio. Para este caso inyectamos una señal senoidal de 240 HZ con amplitud de 20 mV.
Ganancia de Tensión
Con base a lo anterior, vemos que una variación en la señal de entrada de 20mVpp (pico pico), produce una variación 5,6Vpp entre colector-emisor (8,3V – 2,7V). En electrónica, el incremento y decremento de la tensión la llamamos delta (Δ). Entonces, la ganancia de tensión de la etapa es la relación entre Δ de salida y Δ de entrada:
Av = 5,6Vpp / 20mVpp = 5600mVpp / 20mVpp = 280
Entonces este transistor polarizado tal como está, está amplificando 280 veces la señal aplicada a su base.
Estabilización térmica
Debido a la potencia consumida por el transistor, su corriente de fuga en el colector puede incrementarse a causa de su comportamiento térmico (aumento de temperatura). Eso puede hacer que la señal de salida sufra distorsiones. Para solventar dicha situación, el emisor del transistor debe trabajar en serie con una resistencia que provocará una caída de tensión entre base – emisor, haciendo que la corriente de base disminuya conforme se incremente la corriente entre colector – emisor por la corriente de fuga, y por ende disminuyendo la corriente entre colector – emisor. Es decir, con la resistencia de emisor provocamos una retroalimentación negativa, y así la tensión entre colector – emisor permanece constante.
Para efectos prácticos, el valor óhmico de la resistencia de emisor es un 6% la de colector calculada inicialmente. Eso hace que debamos modificar la resistencia de colector una vez resuelta la de emisor, así mantenemos el VCEQ en VCC/2 como lo estipulamos al principio.
Entonces, tenemos la resistencia colector de 6000 Ω, la de emisor = 6000 x 0,06, entonces la de colector nos queda en 5640 Ω.
Nota: Solo para efectos prácticos de este ejercicio, se calcula a 6% la resistencia de emisor. No siempre es así, por ejemplo, para un amplificador con divisor de fase, se usa una configuración simultánea de emisor y colecto común, donde la resistencia de emisor y de colector tienen el mismo valor.
La siguiente foto es de una famosa revista de nuestro gremio, donde se ve un transistor bipolar como preamplificador, cuya resistencia de colector fue calculada a 16 KΩ, y luego distribuido su valor entre ella misma y la de emisor a 6%, siendo su valor ahora de 15KΩ, y la de emisor de 1KΩ.
En la próxima entrega veremos el nuevo calculo de la polarización de amplificador Clase A.
Puedes ver la teoría del transistor como interruptor.
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