Fuentes de corriente para LTP

Las fuentes de corriente que se ubica en la etapa de entrada diferencial (IPS) de un amplificador de audio cumple un rol muy importante en la estabilidad, esta fuente de corriente debe permanecer estable aun cuando existan cambios de voltajes en la entrada del amplificador.

Si usamos una fuente de corriente adecuada podemos energizar el amplificador con diferentes niveles de voltajes sin afectar el rendimiento, esta afirmación está acompañada de varios "depende"

Etapas de un amplificador de sonido

Antes de mostrar los tipo de fuentes, les recordaré la etapas de un amplificador de audio, esta es llamada la configuración de 3 etapas y es usada en la mayoría de amplificadores de sonido que existen en el mundo.

Como pueden ver se divide en 3 grupos principales y cada etapa juega un papel importante para asegurar una calidad de audio perfecta.  Estas etapas se denominan de la siguiente manera:

• IPS: Etapa de entrada diferencial, es la encargada de convertir el voltaje de entrada en corriente para alimentar a VAS.
• VAS: es la etapa de amplificador, en donde se genera la elevación del voltaje que se verá en los parlantes.
• OPS: Etapa de salida, es básicamente un buffer por el cual pasa toda la corriente que se entrega los parlantes.

R3 y R2 en la etapa de realimentación pero eso no es importante ahora.

Función de la fuente de corriente en la etapa de entrada

La función de de la fuente de entrada es polarizar al par diferencial que se encuentra en la entrada el amplificador, esta corriente está ligada a la estabilidad del amplificador debido a que depende de eso depende la ganancia de la primera etapa, es por esto que esta corriente debe permanecer estable ante cualquier situación que se pueda presentar en el amplificador.

Tipos de fuentes de corrientes usadas en un amplificador de sonido

Existen varios tipos de estas fuentes de corriente, pero me centrare solo en 4 fuentes.

Fuente de corriente falsa

La incluyo aquí solo para concientizar a los aficionados que no sigan armando amplificadores así, consiste en colocar una simple resistencia como limitador de corriente en la etapa de entrada.

Estos 3 ejemplos los extraje de internet y uno es de una web muy famosa. No puedo decir que este circuito está mal porque no es así, el circuito funciona, solo que una estabilidad terrible, la etapa diferencial necesita una corriente constante para entregar una señal adecuada al VAS.

Veámos un ejemplo: En el siguiente circuito se puede ver que se usa resistencia de 15k para establecer un límite de corriente. ahora bien consideremos que el voltaje que vamos a usar esta en el rango de 35 V a 50 V calcularemos la ganancia.

Par diferencial alimentado con 50V

La ganancia de la etapa diferencial está dada por:

$G_{IPS}=\frac{R6\times {\displaystyle Ic}}{2\times 25mV}$

Esto es así, sólo si consideramos la impedancia del VAS infinita y no existe resistencia en los emisores del par diferencial

La corriente Ic es la mitad de la corriente proporcionada por la fuente de corriente, esto es así porque cada transistor consume la mitad, entonces para calcular la corriente usamos la siguiente ecuación: 

$Ic=\frac{Vcc}{R1}=\frac{50}{15k}=\mathbf{3}\mathbf{.}\mathbf{3}\mathit{m}\mathit{A}$

Para esta 50V la ganancia será:

$G_{IPS}=\frac{R6\times {\displaystyle \frac{Ic}{2}}}{2\times 25mV}=\frac{680\Omega \times {\displaystyle \frac{3.3mA}{2}}}{2\times 25mV}=\mathbf{22}\mathbf{.}\mathbf{44}$

Par diferencial alimentado con 35V

En este caso aplicando la misma ecuación podemos ver el valor de la ganancia, ahora la corriente será de 2.33mA

  $G_{IPS}=\frac{R6\times {\displaystyle \frac{Ic}{2}}}{2\times 25mV}=\frac{680\Omega \times {\displaystyle \frac{2.33mA}{2}}}{2\times 25mV}=\mathbf{15}\mathbf{.}\mathbf{84}$

Como pueden ver la ganancia bajo un 30%, si se quiere alimentar un amplificador con este tipo de corriente nunca se tendrá la misma respuesta, además, es probable que aun manteniendo el mismo nivel de voltaje el valor de la resistencia puede variar y modificar la ganancia sin haber variado el nivel de voltaje. 

Para concluir con la explicación de porque usar una resistencia como fuente de corriente esta esta mal, podemos ver el siguiente gráfico:

Como pueden ver, la ganancia depende completamente del voltaje de entrada, esto es algo que vamos a resolver con las siguientes fuentes de corrientes que voy presentar. 

Fuente de corriente con zener

Está formado por una resistencias y un zener. Si se asume que el voltaje del zener el constante la división de Vz entre Rx teóricamente entregaría una corriente constante.

$I=\frac{Vz+VCC}{R8+R6+R7}$

Esta fuente se encuentra en casi todos los amplificadores de sonido de principiantes, es quien le da el nombre al popular amplificador zener. Esta fuente es muy fácil de implementar, sin embargo, no es muy estable frente a variaciones de voltaje, carga o temperatura. En el circuito anterior podemos ver una fuente de corriente que entrega 2mA a una carga de 2.5k Ohm, si la RL cambia entre 1 y 5k la corriente también cambia. El siguiente gráfico muestra la corriente de salida entregada a medida que cambia RL, como pueden ver solo mantiene los 2mA alrededor de los 2.5k y genera una variación de corriente de 300 uA. 

Fuente de corriente con transistor

Esta fuente está formada por un transistor obligado a estar siempre polarizado por el voltaje en directo proporcionado por un diodo rectificador. la ecuación de la corriente en este circuito es la siguiente:

$I=\frac{Vd}{R1}$

Vd es el voltaje en el diodo y puede se alrededor de 0.7V, de esta forma la corriente depende básicamente de R1

Debido que Vd puede ser distintos dependiendo del fabricante o muchas cosas mas, se puede usar un potenciómetro en R1 y de esta forma ajusta la corriente deseada.

Ahora veamos la gráfica aplicando la misma condición que en la fuente zener. 

En el gráfico se muestra que la variación es mucho más baja que en la fuente de corriente formada por un zener, alrededor de 10 uA, lo cual es 30 veces mejor que la primera fuente que casi siempre se implementa en los amplificadores de principiantes.

Debido a la variación que puede ocurrir en los diodos bajo diferentes factores electrónicos, existe una tercera propuesta con 2 transistores.

Fuente de corriente con 2 transistores

Como el nombre lo indica está formada por 2 transistores que se complementan entre sí, la corriente está definida por Vbe de Q3 entre R9, se puede simplificar de esta manera solo si se ignora la caída de voltaje en R14

$I=\frac{Vb{e}_{Q2}}{R9}$

Es la fuente de corriente más estable de las 3 que he presentado, la diferencia de corriente es prácticamente insignificante 420 nA, convirtiendo esta fuente en la mejor opción para la etapa de entrada de un amplificador de sonido.

Si tienes alguna duda respecto al funcionamiento de estas fuentes, házmelo saber en los comentarios.!!