¿Cómo ajustar el bías de un amplificador?. Curvas características

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Si te has leido la primera parte de esta serie de entregas entorno al bías, y lo has entendido, estás preparado para comprender que es el bías, que son los puntos de trabajo y como se ajusta correctamente el bías, pero antes tendrás que conocer un poco más de teoría: las curvas características.

Para que no te desanimes voy a empezar ya poco a poco a meter el concepto de bías en cada una de las publicaciones que haga, de esta forma cuando llegues a la última entrega, si ya te has ido haciendo una idea de lo que es el bías, te será más fácil entenderlo.

Así a bote pronto, te podría decir que el bías es como el ralentí del coche. Los coches llevan un ralentí, una porción de gasolina que se inyecta en los cilindros cuando el coche está arrancado pero no rodando. Esta gasolina mantiene el coche encendido y se fija un punto de partida de una gasolina mínima que está siempre entrando al cilindro. El ralentí de los coches suele estar alrededor de las 1000 rpm, es decir se inyecta gasolina para que el motor esté girando a 1000 rpm. Realmente lo podríamos poner al regimen que queramos, es decir por ejemplo podríamos fijarlo a 3000 rpm, para de esta forma, partir de un regimen de motor más alto, y de esta forma tener el coche siempre en una zona de trabajo alta, la cual aseguraría que siempre que quisieramos el coche va a responder de forma muy rápida ante cualquier acelerón, porque ya parte de un regimen de vueltas alto. Logicamente esto va a causar que el coche este consumiendo mucha gasolina aunque no este andando, por esta razón en los coches al igual que en los amplificadores, el punto de trabajo, bías o ralentí está fijado en un punto bajo. Los amplificadores de clase AB serían los coches con ralentí a 1000 rpm, mientras que los amplificadores  de clase A serían los coches de ralentí a 3000 vueltas.

Durante mis estudios tuve una asignatura de electrónica analógica, mi sorpresa fue que cuando llegamos al capítulo de los JFET, rápidamente me di cuenta de que compartian muchas similitudes con las válvulas de triodo, y de hecho, se podía hacer el analisis de un circuito de válvulas, reemplazandolos por JFET con los características propias de las válvulas. Por esta razón, cualquier persona que quiera hacer un análisis de un circuito de válvulas, puede hacer una analogía con una circuitería con JFETs, más usual estudiarlo hoy en las escuelas, sin tener que aprender desde cero un nuevo dispositivo. Es solo cuestión de extrapolar, asi que si conoceis los JFET, podréis sustituir la válvula por una JFET, y se os hará más sencillo las partes teóricas que estoy mostrando.

 

El primer paso para entender el bías es entender como funcionan las curvas caracteristicas de las válvulas, para ello os pongo varias imagenes de las curvas caracteristicas de válvulas y mostraré como interpretarlas y entenderlas para posteriormente llegar al concepto de bias, punto de trabajo, y clase del amplificador

La primera gráfica muestra las curvas caracteristicas de una válvula 6l6. Esta gráfica la proporciona el fabricante conforme a lo que mide en fábrica A la izquierda se puede ver la gráfica que relaciona corriente del ánodo con diferencia de potencial rejilla-cátodo. Para leer la gráfica, tenemos que ver que diferencia existe entre la rejilla y el cátodo para cada instante de tiempo, y conocer cual es la tensión aplicada en la rejilla número 2, obteniendo entonces una corriente de ánodo. Es la clásica curva caracteristica que relaciona la entrada con la salida.  Esta gráfica no es la que más me gusta usar, la gráfica que más me gusta usar es la de la derecha.

La gráfica de la derecha relaciona la corriente del ánodo con la diferencia de potencial ánodo-cátodo, es decir la corriente del ánodo es función de la diferencia de potencial ánodo-cátodo, es una clásica función de salida-salida. Al igual que pasaba antes, tenemos diferentes curvas, en función de la diferencia de potencial existente entre la rejilla y el cátodo. Para leer la gráfica tenemos que conocer cual es la diferencia de potencial ánodo-cátodo, la tensión de la rejilla y para estos dos valores obtendremos una corriente de ánodo.

 

pentodo

 

La segunda gráfica muestra el concepto de recta de carga. La recta de carga tiene que quedar muy claro que se obtiene para nuestro circuito, y que otro circuito diferente va a tener su propia recta de carga. La recta de carga relaciona todos los valores de diferencia de potencial ánodo-cátodo y la corriente de ánodo, que se podrán producir en nuestro circuito, es decir nos da las parejas (diferencia de potencial ánodo-cátodo,corriente de ánodo) que pueden existir en nuestro circuito. La recta de carga se calcula en situaciones extremas del circuito, forzando a que la corriente de ánodo sea cero (el punto que cruza con el eje X), en este punto se obtendrá la diferencia de potencial ánodo-cátodo máxima. Por otro lado, el otro punto de la recta de carga se obtiene forzando a que la diferencia de potencial ánodo-cátodo sea cero (en el punto que cruza con el eje Y), en este punto la corriente será máxima. Uniendo estos dos puntos podremos trazar la recta de carga, y podremos saber las parejas, tensión, corriente existentes en nuestro circuito de salida, en función de la tensión de la rejilla.

 

recta_carga

 

La tercera gráfica muestra las zonas de trabajo de una válvula. Si bien en su momento habée que el componente análogo a la válvula de triodo es el JFET, para explicar sus zonas de trabajo voy a remitirme ahora a los transistores bipolares, ya que la nomenclatura que define a cada zona de trabajo en los transistores bipolares, es más facilmente asimilable por la gente que aun no dispone de los conocimientos suficientes.

Digamos que una válvula tiene tres zonas de trabajo «zona activa», » zona de saturación», y «zona de corte» siendo esta la más importante para comprender el ajuste de bías en amplificadores clase AB.

  • Zona activa: Esta es la zona por defecto en donde trabajan los amplificadores lineales, es una zona en donde la señal de entrada es amplificada sin ninguna restricción ya que por un lado el bías está fijado en algun punto de la recta de carga que atraviesa a esta zona y porque la señal de entrada a amplificar no se lleva la señal amplificada a la salida de la válvula a ninguno de los extremos de la recta de carga.
  • Zona de saturación: Es la zona alineal de la válvula. En esta zona se puede observar en las curvas como a medida que se va incrementando la diferencia de potencial ánodo-cátodo, la corriente comienza a crecer, hasta un valor a partir el cual es constante. Esto es lógico, ya que si tuviesemos un potenciometro que regulase la tensión de salida de la fuente de alimentación que alimenta a la válvula, veríamos como a medida que aumentamos la diferencia de potencial la corriente que recoge el ánodo es mayor. Si nos fijamos en la recta de carga, podemos observar que para las inmediaciones de esta zona, la corriente del ánodo es la mayor que va a entregar el amplificador, conforme la recta de carga es decreciente. En las inmediaciones de esta zona, la diferencia de potencial ánodo-cátodo es mínima.
  • Zona de corte: Esta es la zona que le da sentido al ajuste de bías en amplificadores de clase AB que no estén autopolarizados con una resistencia en el cátodo y es por tanto la que tenemos que entender completamente. La zona de corte es aquella zona que viendo las curvas características, tiene una corriente de ánodo cercana a cero. En esta zona la diferencia de potencial ánodo-cátodo es máxima dado que no cae nada de tensión en las resistencias propias del ánodo y del cátodo, por no existir circulación de corriente. Para esta zona si me voy a detener más extensamente y voy a analizarlo desde la gráfica entrada-salida y desde la gráfica salida-salida, para que tengais dos visiones diferentes del mismo problema. En la gráfica de la izquierda tenemos que ver que es lo que está pasando cuando la corriente tiende a cero, y para cualquier curva, existe un denominador común que hacen que la válvula esté en corte, y es que la diferencia de potencial rejilla-cátodo es muy negativa. En la parte de la derecha se puede apreciar lo mismo, indenpendientemente de la diferencia de potencial ánodo-cátodo, la zona de corte se da cuando las curvas de la diferencia de potencial rejilla-cátodo son muy negativas. Es decir, cuando la diferencia de potencial entre  rejilla y cátodo sea muy negativa, la válvula estará polarizada en la zona de corte, y por tanto no conducirá electrones entre el cátodo y el ánodo hasta que una tensión presente en la rejilla y superior a la mínima tensión necesaria de polarización la saque de esa zona. En esto consiste el ajuste de bias fijar una tensión que la saque de la zona de corte, pero esto ya se verá más adelante….

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