AMPLIFICADOR DE 20W EN PROTEUS Isabel Alejandra Ávila Vidal, Jonatan Legro Pastrana

Universidad Surcolombiana Neiva, Colombia

u2011199635@usco.edu.co

u20111100126@usco.edu.co

Abstract - This report contains detailed information about audio amplifiers, as well as a montage of one of these circuits made and simulated in proteus. These audio amplifiers are very important in today's society and are a curious application to work.

I. INTRODUCCION

Los transistores y amplificadores integrados que se utilizan para procesar señales son de baja potencia y solo tienen capacidad de generar en sus salidas tensiones en el rango de voltios, proporcionar intensidades en el rango de los miliamperios, y en consecuencia, transferir a las cargas conectadas a su salida, potencias en el rango de miliwatios o décimas de watios. En muchas aplicaciones dentro de los sistemas de instrumentación, tales como en el control de pequeños motores, en el gobierno de sistemas de altavoces, etc., se necesitan proporcionar potencias en el rango de las decenas o centenas de watios, y para conseguirlo se requiere utilizar amplificadores de media potencia. Un amplificador de potencia es aquel cuya etapa de salida se ha diseñado para que sea capaz de generar uno rangos de tensión e intensidad mas amplios de forma que tenga capacidad de transferir a la carga la potencia que se requiere. Cuando se diseñan utilizando amplificadores operacionales, un amplificador de potencia consiste en una etapa de baja potencia basada en un amplificador operacional, a la que se dota de una etapa (interna o externa) de potencia, con ganancia reducida, (habitualmente 1) pero con capacidad de suministrar las intensidades que se necesitan. Para seguir manteniendo los beneficios de la realimentación, la etapa de potencia debe estar incluida dentro del bucle de realimentación.

II. DESARROLLO DE CONTENIDOS

A. Objetivos

• El objetivo fundamental es diseñar y desarrollar un amplificador de potencia de 20 watios.

• Simular el circuito del amplificador en proteus e interpretar los resultados del mismo.

B. Marco Teórico

Potencias de los amplificadores de audio:

Un amplificador de audio tiene que cumplir siempre con las leyes de la termodinámica. La potencia entregada al parlante no puede ser nunca mayor a la potencia que ingresa por la fuente. Y que quede claro que dije la potencia entregada al parlante y no la potencia entregada por el parlante, que depende del rendimiento del mismo y que no podemos medir fácilmente por tratarse de una unidad acústica (llamada presión sonora) muy difícil de medir.

Antes que nada vamos a explicar que los parlantes se caracterizan por su Impedancia y no por su resistencia. Si Ud. toma un parlante de 8 Ohmios y lo mide con el tester predispuesto como óhmetro, encontrará que tiene alrededor de 6,5 Ohmios. Esto suele desconcertar a los enconadores de parlante que terminan realizando un trabajo aproximado o muchas veces exacto pero sin saber el por qué.

Si observa la construcción de un parlante puede ver que tiene una “bobina móvil” y no una “resistencia móvil”. En efecto si tomamos un alambre y los bobinamos sobre un núcleo de hierro debemos esperar un comportamiento inductivo. Pero el alambre utilizado tiene una resistencia considerable y por lo tanto el circuito equivalente de un parlante no es un componente puro sino un R L (en realidad debería ser un R L C pero el C se puede despreciar en prácticamente todos los casos).

Algo que casi nadie tiene en cuenta es que si se dice impedancia de parlante se debe aclarar a que frecuencia. Como todos los fabricantes dan la impedancia a 1 KHz se da por descontado el hecho y solo se dice “Impedancia de 8 Ohmios” o “Impedancia de 4 Ohmios” cuando realmente se debería decir “Reactancia Inductiva de 8 Ohmios a 1 KHz”.

En los amplificadores de clase B y AB, puede que exista o no la corriente de base (o reja) por lo que sí es importante que nos especifiquen el tipo de amplificador del que se trata (AB1 diría que no tiene corriente de base y B2 indicaría que sí hay corriente de base). Este tipo de notación también podemos encontrarla en los amplificadores transistorizados.

La etapa de salida de audio genérica:

¿Ud. sabe de donde proviene el nombre transistor? Según su inventor es una conjunción de trasmisión y resistor. Él quería indicar que un transistor es un resistor variable conectado entre dos patas y que el valor de ese resistor depende de la corriente inyectada en la tercer pata del transistor.

Una etapa de excitación de un parlante en su modo mas sencillo puede ser la representada en la figura 1 en donde colocamos un potenciómetro (asimílelo a dos resistores en serie de valor variable) y una fuente de tensión continua.

Figura 1. Etapa de excitación de un parlante

Si el lector lleva el potenciómetro al máximo el cono se mueve y se va a su posición extrema hacia fuera o hacia adentro y si lo lleva a la posición mínima se va a la posición de reposo.

Nota: esto es algo simbólico para aclarar el tema pero no debe ser realizado en la realidad; porque la bobina móvil está recibiendo una energía eléctrica que no puede transformar en energía mecánica, ya que luego del cambio inicial de posición del cono, el aire se desplaza permanentemente y no hay presión sonora. Esto significa que entra energía pero no sale y esto implica la generación de calor que calienta la bobina móvil.

Ahora imagínese que Ud. realiza el movimiento del potenciómetro a tal velocidad que genera una señal de 1 KHz. Ahora si el cono presiona el aire 1.000 veces por segundo y Ud. escucha un sonido. ¿Y si mueve el potenciómetro siguiendo una ley sinusoidal se escucha una sinusoide? No, porque la sinusoide tiene un ciclo negativo y otro positivo y en nuestro caso solo podemos mover el cono

en una sola dirección. A lo sumo generaríamos un semiciclo de una sinusoide.

Mediciones sobre el circuito de salida:

En la figura 2 se puede observar nuestro circuito de salida con los agregados de un osciloscopio, un tester y un vatímetro.

Figura 2. Mediciones completas sobre la salida de potencia

Primero vamos a analizar los puntos donde se realizan las mediciones.

1. El osciloscopio lo conectamos sobre la salida de señal del amplificador, que en este caso está remplazado con un generador de funciones.

2. Como estamos imitando un amplificador con una fuente de 12V de CC, la señal (de color naranja o gris claro en blanco y negro) la ajustamos para que cubra una tensión de 0V a 12V como se observa con los cursores azul y rojo adecuadamente ubicados.

3. Para lograrlo el generador de funciones debe ajustarse en 6Vpp (ya sabemos que el WB tiene un modo extraño de indicar la amplitud pico a pico).

4. El offset debe ajustarse para que la tensión de salida fluctúe entre 0V y 12V y esto ocurre con una tensión offset de 6V.

5. La frecuencia de medición se elige en 1 KHz que es el valor estándar utilizado en audio.

6. El tester está midiendo la salida del amplificador y si lo abriéramos indicaría una CA de 4,24V que es el valor eficaz de una señal senoidal con un valor de pico de 6V.

Nota: un tester digital común no llega a medir una frecuencia de 1 KHz porque solo están preparados para realizar mediciones de 50 Hz. Le aconsejamos al lector que

descargue la Sonda de RF de picerno.com.ar. Esta sonda indicará directamente el valor de pico de la salida es decir 12V, en cambio si usted trabaja con un milivoltímetro de CA por ejemplo obtendrá el valor eficaz de la CA de salida es decir 6/1,41 = 4,24V.

El vatímetro tiene cuatro cables de conexión. Dos para medir la tensión sobre la carga y otros dos para medir la corriente por la carga. La potencia de nuestro amplificador es de 2,24W.

El medidor de Bode se conecta en la salida del amplificador y sobre la carga y la grafica nos permite observar la respuesta con una caída de -3 dB a una frecuencia de 40 Hz.

Con todo lo visto hasta aquí podemos desenmascarar a muchos fabricantes de amplificadores de audio que pueden realizar el milagro de obtener valores de potencia mayores a los indicados como máximos por medición de la tensión de fuente y observando la impedancia del parlante. Recuerde que la tensión de fuente se debe medir a pleno consumo y nunca con el sonido cortado y si el amplificador es estereofónico deben estar consumiendo ambos canales. Excite al amplificador con una señal senoidal de 1 KHz y levante el volumen lentamente hasta que escuche una distorsión causada por la saturación del amplificador; baje el volumen hasta que desaparezca la distorsión y mida la salida del amplificador con la sonda y el tester. Calcule la potencia y verá como adelgazan los vatios prometidos.

Diseño de un Amplificador de Audio

Para poder diseñar un amplificador de audio hay que delimitar ciertos aspectos, tales como:

• Ancho de banda: 25khz • Potencia de salida (PL): 36w • Resistencia de carga (RL): 8Ω • Distorsión total armónica (<10%)

NOTA: Utilizaremos una potencia de salida de 36W para los cálculos, ya que con información obtenida hemos concluido que hay pérdidas a lo largo del desarrollo, por tanto, ponemos un margen de error. El tipo de amplificador seleccionado para el diseño, fue un amplificador CLASE AB teniendo en cuenta que:

• Poseen buena calidad de sonido • Son comunes en el mercado • Poseen baja distorsión

En los amplificadores de audio de potencia se distinguen dos etapas:

1. Amplificación de tensión o etapa de pre amplificación:

Tiene como fin aumentar el nivel de la señal de entrada y nivelar la tensión eléctrica que le llega de las distintas fuentes de audio (cada equipo tiene una tensión de salida diferentes), para luego, una vez igualadas, enviarlas, como señal de entrada, a otro equipo (generalmente, una etapa de potencia).

2. Etapa de potencia: En esta tapa se amplifica la corriente de la señal de entrada, ya que es necesario suministrar una corriente de tal magnitud, que sea capaz de activar el dispositivo de salida, en este caso el parlante conectado a la salida. Los transistores de potencia, también denominados de salida, tienen como misión entregar a la carga una señal de potencia grande con la mínima distorsión y el máximo rendimiento. La impedancia de salida es pequeña puesto que la carga es un altavoz de 8 Ω. Se puede diseñar un amplificador de alta ganancia de corriente utilizando la conexión de un par Darlington y transistores. Esta configuración se conoce como amplificador clase AB cuasi complementario, e incorpora un par Darlington con transistores NPN y un par retroalimentado consistente en un transistor NPN y uno PNP. Los transistores de salida en este diseño deben ser iguales; para conseguir que dichos transistores sean del mismo tipo se recurre al criterio anterior. Esto se puede observar en la [Fig. 2]. Estos transistores Q3 y Q5 se denominan complementarios, pues utilizan pares de transistores similares, pero de tipos opuestos, NPN y PNP. A su vez son denominados simétricos, pues cada transistor amplifica la mitad de la señal de entrada, y posee una polarización DC que también se reparte en forma simétrica, en general el concepto simétrico corresponde a una distribución simétrica de voltajes en los transistores Q3 y Q5. La configuración par Darlington es una configuración compuesta de dos transistores. Esta combinación de transistores posee algunas características deseables que la hacen más útil que un solo transistor en ciertas aplicaciones. Por ejemplo, el circuito tiene alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida y alta ganancia de corriente. Una desventaja del par Darlington es que la corriente de fuga del primer transistor es amplificada por el segundo.

C. Materiales y equipos

• Computador

• Simulador de Circuitos Eléctricos y Electrónicos (Proteus o Mulsitim)

E. Cálculos y Resultados Diseño de la Etapa de Potencia Para el cálculo del voltaje de alimentación del circuito se tiene en cuenta la potencia requerida de diseño (36W) y la resistencia de la carga. Ya que vamos a utilizar un speaker, el cual

posee una bobina móvil, vamos a tratar a este como una carga puramente resistiva para facilitar los cálculos. La potencia sobre la carga (PL) está definida como: = ∗ Además, sabemos que

= Reemplazando

=

El voltaje máximo que se disipara en la carga, será el voltaje de alimentación VCC

= √2

Reemplazando

=

2

= 2 ∗ = 2 36 8 = ±24

La máxima corriente que va a entregar cada fuente

=

= 248

= 3 Hallando la corriente de saturación y polarización

= 2

= 32

= 1.5 = 5% = 5% 1.5 = 75 Escogemos los transistores Q1 y Q3 El voltaje pico-pico que brinda la fuente VCC es: = 2 = 2 24 = 48 La potencia disipada máxima es

!" = 40

!" = 48 40 8

!" = 2.3$320

!" = 7.2% Escogemos como transistores de potencia aquellos que cumplan con las características correspondientes para el diseño, & ≥ 24 ≥ 3 20 ≤ * ≤ 100 Tomamos el valor de 20 para β, ya que diseñamos el amplificador para el peor de los casos, que seria cuando el beta es mínimo. Escogemos como transistores de potencia el TIP41, ya que cumple con las características anteriores y posee una potencia de disipación de: !" = 60% Escogemos las resistencias R1 y R2 Las resistencias R1 y R2 se escogen de valores pequeños, ya que tienen como única función, evitar problemas térmicos, por tanto, escogemos: + = = 1Ω-3% Escogemos una potencia más alta para estas resistencias por ser embobinadas. Estas resistencias disiparan una potencia máxima de:

!" = ∗ !" = 1 3 !" = 9% Escogemos los transistores Q2 y Q4 Escogemos los transistores 2N2905 (Q2) y 2N2222 (Q4), ya que poseen 100 ≤ * ≤ 300 Hallamos R8 Despreciando la caída de tensión de los resistores de 1Ω, el voltaje de base de Q4 ES 1.4V / = + = 2 / = 2 0.7 / = 1.4

Sabemos que

/ = *

Donde * = *1 ∗ *2 Remplazamos

/ = 3 20 100 / = 1.5

Se toma como margen una corriente más grande, escogemos que sea 3 veces mayor, / = 3 1.5 / = 4.5

2 = − 2/&/

2 = 24 − 2 0.64.5

2 ≈ 5$ Escogemos los diodos D1 y D2 Para este amplificador se puede escoger cualquier diodo de pequeña señal, ya que las condiciones mínimas con las que tiene que cumplir es soportar la corriente ICQ que es de 75mA. Para nuestro caso escogemos el 1N4148 como D1 y D2 Hallamos C1

5+ = 1267 389

Donde

89 = :/

89 = 254.5

89 = 5.5Ω Remplazando

5+ = 126 20 3 5.5 5+ = 1

2.07$

5+ = 482.3μ< Hallamos la impedancia de entrada y salida de esta etapa =>? = * 8@ + 8@A Donde * = *1 ∗ *2 * = 20 100 * = 2000

8@A = :&

8@A = 2575

8@A = 0.3Ω 8@ = = 8Ω Sustituyendo =>? = 2000 8 + 0.3 =>? = 16.6$Ω

=BC = D8@A + E* F =BC = D0.3 + 5$

2000F =BC = 0.3 + 2.5 =BC = 2.8Ω Hallamos la Ganancia de Voltaje en la Etapa de Potencia

G = 8@8@ + 8@′ G = 8

8 + 0.3

G = 0.96 I I⁄ Diseño de la Etapa Amplificadora Escogemos el transistor Q5 Cualquier transistor de señales funciona en esta aplicación, escogemos el transistor NPN 2N2222. Hallamos R3 Para este cálculo escogemos una caída de tensión de Vcc/10

1 =10

1 =24104.5

1 ≈ 530Ω Hallamos R5 La corriente que circula por la base de Q5 es

/K = K*K

/K = 4.5100

/K = 0.045 Elegimos una corriente superior a la corriente de base

/K = 1

K =10 + /&/

K =2410 + 0.61

K = 2.4 + 0.61

K = 3$ Hallamos R6

L = −10 − /& + /K

L =1910 − /&

1

L =1910 24 − 0.61

L = 45$ Hallamos la impedancia de entrada y salida de la segunda etapa

=>? = KǁLǁ* N1 + :O

=>? = 3$ǁ 45$ǁ 100 D530 + 2575F =>? = 2.8$ǁ 100 530.333 =>? = 2.8$ǁ 53$ =>? = 2.7$Ω La impedancia de salida es igual a R4 =BC = 2 = 5$ Hallamos R7 y R8 Se elige una corriente de colector de 10mA y un voltaje de emisor de Vcc/10 = 2.4V.

P = &

P = 2.410

P = 240Ω El voltaje de colector de Q6 sería & = − & = & + & Donde

& = 2

Remplazamos

= 2 + &

= 242 + 2.4

= 14.4

E = −

E = 24 − 14.410

E = 960Ω Escogemos Q6 Este es un transistor de señal, por tanto elegimos un transistor que ya usamos anteriormente, el 2N2222. Hallamos R9 y R10 La corriente por la base de Q6 es

/L = L*L

/L = 10100

/L = 0.1 Tomamos una corriente 10 veces mayor para que circule por R10 = 1mA.

Q = /L/L

Donde /L = &L + /&

Q = &L + /&/L

Q =10 + /&/L

Q =2410 + 0.61

Q = 3$Ω El voltaje de la base del transistor 6 es /L = &L + /& /L = 3

+R = − /L/L

+R = 24 − 31

+R = 21$ Hallamos la impedancia de entrada y salida de esta etapa

=>? = Qǁ+Rǁ* NP + :O

=>? = 3$ǁ 21$ǁ 100 D240 + 2575F =>? = 2.625$ǁ 100 240.333 =>? = 2.625$ǁ 24$ =>? = 2.4$Ω La impedancia de salida es igual a R8

=BC = E = 960Ω Hallamos C2

5 = 1267 E + =>?+

5 = 126 20 960 + 2.4$ 5 = 1

422.2$

5 = 2.4μ<

Hallamos C3

51 = 1267=>?+

51 = 126 20 2.4$

51 = 1301.6$

51 = 3.3μ< Calculo de la Ganancia de Voltaje de la Etapa de Amplificación

G = 8S8@ + 8@′ Donde 8S = KǁLǁEǁ* 8@′ + 1 Sabemos que

=>? = KǁLǁ* N1 + :O

8@ = P = 240Ω 8S = Eǁ=>?

G = Eǁ=>?8@ + 8@′ G = 960ǁ 2.7$240 + 0.3

G = 708.2240.3

G = 2.9 I I⁄

La Potencia que entregaría el Speaker sería:

=

= T14U

8

= 24.5% F. Análisis de Resultados

Figura 1. Montaje del Circuito

Los amplificadores de potencia de audio proporcionan alta corriente a una carga de salida, que corresponde al parlante.

Los transistores de salida, también denominados de potencia, tienen como misión entregar a la carga una señal de potencia grande con la mínima distorsión y el máximo rendimiento. La impedancia de salida es pequeña puesto que la carga es un altavoz de 8Ω.

Figura 2. Entrada y Salida del Amplificador

El amplificador de audio construido entrega una potencia de salida, al parlante de 12.5 W. Es notable la aparente pérdida de potencia, ya que el amplificador debió suministrar una potencia a la carga de 20 W, pero teniendo en cuenta la eficiencia que posee un amplificador de clase AB y las pérdidas de potencia en forma de calor, tanto en resistencias como en transistores, se justifica el hecho de obtener a la salida 12.5 W, los 7.5 W restantes son perdidos en los transistores de potencia, teniendo en cuenta que cada uno disipa máximo 4.05 W, de acuerdo a lo calculado en la sección de diseño y teniendo en cuenta que las resistencias de salida también poseen una disipación máxima de potencia de 2.38 W. Así la pérdida de los 7.5W está justificada claramente bajo estas consideraciones.

G. Conclusiones

El amplificador de audio diseñado no entregó a la carga, la potencia esperada (36W), debido a las consideraciones de disipación de potencia en los transistores de gran señal (potencia) y en las resistencias, dichas pérdidas deben ser tenidas en cuenta previamente para garantizar la potencia requerida a la salida, aun así el diseño resulta completamente valido para construir amplificadores de audio operando en clase AB.

Al diseñar un amplificador de audio, se deben utilizar disipadores de calor, ya que el aumento de la temperatura puede causar daños en el sistema.

Los amplificadores de audio suelen tener impedancias de entrada grandes, y muy baja impedancia de salida, razón por la cual se utiliza la configuración Darlington.

Los amplificadores clase AB funcionan básicamente como los amplificadores en clase B, excepto en el que se inyecta una pequeña corriente de polarización, los transistores de salida reciben sólo una pequeña corriente de polarización constante, para que el transistor opere a bajos niveles de potencia de salida, tanto en el semi-ciclo positivo como en el negativo, es decir, ya estén conduciendo previamente a la llegada de la señal. A bajo nivel de salida, el amplificador clase AB funciona como clase A, mientras que, a altos niveles de salida, la señal sobrepasa el punto cero de cruce y se comienza a comportarse como uno clase B.

RECONOCIMIENTOS

Agradecemos a los compañeros de nuestra cohorte que nos brindaron información útil acerca de los amplificadores de audio.

REFERENCIAS

[1]http://electronicacompleta.com/lecciones/amplificador-de-potencia-de-audio/