Amplificador de potencia de audioQu es un parlante? Cules son su requerimientos circuitales? Qu potencia tiene un amplificador? Qu sensibilidad tiene un amplificador? Cul es su distorsin y como se reduce? Son muchas preguntas y seguramente el lector tiene algunas respuestas difusas entre sus conocimientos. Los amplificadores de potencia suelen ser el primer equipo que encara un reparador. Y es muy lgico porque la gama de frecuencias en las que funciona un amplificador de audio es la mas baja de la electrnica (20 Hz a 20KHz) y eso permite encarar experiencias practicas con cables largos sin que se produzcan problemas con la inductancias y capacidades parsitas. Adems la gama de frecuencias involucradas nos permiten construir nuestros propios instrumentos de medicin y prueba sin mayores gastos de dinero y realizando una interesante prctica.

El parlanteYo supongo que todos mis lectores tuvieron alguna ves un parlante en sus manos, as que no voy a perder tiempo en describirlos con mucho detall . Un parlante esta e compuesto de una campana metlica, un imn (generalmente cermico) y un cono de papel o de plstico. El borde exterior del cono est sujeto a la campana con un montaje elstico de goma o con un ondulado del mismo material del cono que l confiere la e posibilidad de moverse hacia adelante y hacia atrs alrededor de un punto de equilibrio mecnico.

Fig.1 Las diferentes partes de un parlante Desde el punto de vista tcnico, un parlante es un transductor electroacstico. Recibe energa elctrica y la transforma en energa mecnica que mueve el cono generando energa acstica por compresin y expansin del aire. Ahora vamos a analizar como se realiza esa transferencia energtica primaria de elctrica en mecnica. Para entenderlo debemos introducirnos en el parlante y realizar un corte a nivel del imn.

Fig.2 Corte de un parlantey y

y

y

El imn cermico anular tiene el polo sur en la cara superior y el norte en la inferior o viceversa. La pieza polar inferior es en realidad un disco de hierro con un cilindro de hierro soldado en el medio que penetra en el carretel de papel de la bobina mvil, de modo que esta tenga un huelgo para que pueda deslizarse verticalmente. La pieza polar interna, es una gran arandela de hierro que sierra el camino magntico de modo que solo quede un pequeo entrehierro que atraviesa la bobina mvil. La araa es una pieza elstica que completa la suspensin del cono de modo que pueda entrar y salir del ncleo cilndrico sin rozar en el mismo.

En la figura 3 se puede observar un detalle de la interaccin entre el campo magntico de la bobina mvil y el del circuito magntico fijo.

Fig.3 Detalle de la interaccin entre el campoy

y

El espacio existente entre el borde interno de la arandela que hace de pieza polar superior y el ncleo cilndrico se llama entrehierro. Es un lugar abierto donde existe un enorme campo magntico radial que va desde la arandela hasta el ncleo y por dentro este hacia abajo y luego hacia fuera hasta completar un circuito magntico cerrado alimentado por el imn. La bobina mvil esta recorrida por una corriente entregada por el amplificador de audio que genera otro campo magntico en el ncleo de hierro.

y

Los dos campos magnticos paral los dentro del ncleo interaccionan entre si generando una fuerza que mueve al cono en proporci n a la corriente circulante por la bobina.

El rendimiento de un parlante se calcula como la potencia elctrica entregada al mismo dividida por la potencia mecnica que sale del parlante. Y la potencia elctrica entregada al parlante es igual a la tensi n aplicada a la bobina mvil multiplicada por la corriente que circula por ella. Los parlantes tiene uniformada la resistencia de su bobina mvil en dos valores clsicos de 4 y de 8 Ohms (los parlantes muy antiguos pueden ser de 3,2 Ohms). Esto implica que los amplificadores se pueden comparar de acuerdo a su resistencia de carga y a su tensin de fuente y a continuacin vamos a realizar un anlisis de ese tipo, que no permitir desenmascarar a una gran cantidad de embaucadores que tiene esta especialidad de la electrnica que es el audio de potencia.

Potenci s e los ampli icadores de audioUn amplificador de audio tiene que cumplir siempre con las leyes de la termodinmica. 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 fcilmente por tratarse de una unidad acstica (llamada presin sonora) muy difcil 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 Ohms y lo mide con el tester predispuesto como hmetro, encontrar que tiene alrededor de 6,5 Ohms. Esto suele desconcertar a los enconadores de parlante que terminan realizando un trabajo aproximado o muchas veces exacto pero sin saber el porque. Si observa la construccin de un parlante puede ver que tiene una bobina mvil y no una resistencia mvil. En efecto si tomamos un alambre y los bobinamos sobre un ncleo 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 debera ser un R L C pero el C se puede despreciar en prcticamente 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 1KHz se da por descontado el hecho y solo se dice Impedancia de 8 Ohms o Impedancia de 4 Ohms cuando realmente se debera decir Reactancia Inductiva de 8 Ohms a 1 KHz. Con ese dato se puede saber cual es el circuito equivalente de un parlante, para tenerlo en cuenta en los diseos de amplificadores o en el clculo de la potencia de salida del amplificador? Si, se puede hacer fcilmente utilizando el Multisim tal como lo indicamos en la figura 4.

Fig.4 Medicin de las componentes inductivas y resistivas de un parlante Hagamos un simple clculo. Si un parlante de 8 Ohms nominales se alimenta con un generador sinusoidal de 1V eficaz, cuanta corriente debe pasar por l? Como I = E/R podemos calcular 1/8 = 0,125 mA Luego variamos el inductor de 1 mHy para que la corriente sea igual a ese valor y obtenemos el circuito equivalente aproximado de un parlante de 8 OHms porque en realidad todo depende del parlante utilizado ya que no todos tienen una resistencia d e 6,5 Ohms. Y si se trata de un parlante de 4 Ohms todo se reduce a la mitad. Es decir que tiene una resistencia de 3,25 Ohms y una inductancia de 375 uHy en serie. Ahora que sabemos cual es la resistencia de carga real equivalente a un parlante, vamos a calcular cual es la potencia mxima que se puede sacar de un amplificador con una tensin de fuente determinada:

Amplificadore con una ola ten in de fuente (por ejemplo 12V)Debemos tener en cuenta que si la fuente es de 12V la tensin pico a pico de lasalida ser de 12V tambin y por lo tanto la tensin eficaz ser de 6/1.41V como mximo es decir 4,25V y la potencia desarrollada sobre una carga de 4 Ohms ser de (4,25)2 /4 = 4,51 W y con 8 Ohms de carga de 2,25W Para los que gustan de las matemticas les decimos que la frmula de calculo para la potencia en funcin de la tensin de fuente es P=(V/2 x1,41)2/ Z en donde V = tensin de fuente y Z = impedancia del parlante

Amplificadore con ten in po itiva y negativa (por ejemplo 24V)

Lla tensin total aplicada es de 48V y el valor de pico es de 24, con lo cual el valor eficaz ser de 24/1,41 = 15V En este caso la potencia desarrollada sobre una carga de 8 Ohms ser de 152 /8 = 28W y para una carga de 4 Ohms de 56W. Estos son valores mximos absolutos que nos garantizan que no sale mas potencia que la que entra, pero son imposibles de conseguir porque los componentes que se encargan de controlar la corriente que circular por el parlante no llegan a tener cero Ohms cuando estn conduciendo ni un valor infinito cuando estn abiertos. La frmula es la misma que en el caso anterior pero considerando que V = V1+V2 en donde V1 es la tensin positiva y V2 la tensin negativa.

La etapa de alida de audio genricaUd. sabe de donde proviene el nombre transistor? Segn su inventor es una conjuncin de trasmisin y resistor. El quera 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 excitacin de un parlante en su modo mas sencillo puede ser la representada en la figura 5 en donde colocamos un potencimetro (asimlelo a dos resistores en serie de valor variable) y una fuente de tensin continua.

Fig.5 Etapa de excitacin de un parlante

Si el lector lleva el potencimetro al mximo el cono se mueve y se va a su posicin extrema hacia fuera o hacia adentro y si lo lleva a la posicin mnima se va a la posicin de reposo. Nota: esto es algo simblico para aclarar el tema pero no debe ser realizado en la realidad; porque la bobina mvil est recibiendo una energa elctrica que no puede transformar en energa mecnica, ya que luego del cambio inicial de posicin del cono, el aire se desplaza permanentemente y no hay presin sonora. Esto significa que entra energa pero no sale y esto implica la generacin de calor que calienta la bobina mvil. Ahora imagnese que Ud. realiza el movimiento del potencimetro a tal velocidad que genera una seal de 1 KHz. Ahora si el cono presiona el aire 1.000 veces por segundo y Ud. escucha un sonido. Y si mueve el potencimetro 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 direccin. A lo sumo generaramos un semiciclo de una sinusoide. El problema se puede resolver de dos modos diferentes. El primero es usando un capacitor electroltico tal como lo indicamos en la figura 6.

Fig.6 Etapa de salida genrica con capacitor de acoplamiento Comencemos el ejercicio con el potencimetro en la mitad de su recorrido. Como se puede observar, all la tensin es igual a 6V. Del otro lado del capacitor la tensin es nula porque el parlante est conectado a masa. Es decir que e capacitor est cargado l con 6V. La capacidad del mismo tiene que ser suficientemente alta como para que siempre conserve ese valor de tensin aproximadamente; aunque como vamos a ver esta recorrido por una CA. Cuando Ud. lleva el potencimetro hacia arriba el parlante tiene aplicados 12 V de la fuente menos 6 V del capacitor es decir 6 V positivos. Cuando lo lleva a masa tiene aplicada la carga del capacitor solamente es decir -6V. Como vemos ahora tenemos la posibilidad de que el parlante tenga aplicados los dos semiciclos de los sinusoide. Cuando el potencimetro est arriba el capacitor se carga, cuando esta abajo se descarga. Si es suficientemente grande su tensin no va a variar ni aun a la menor frecuencia que puede salir del amplificador que por lo g eneral se estima en 25 Hz con lo cual el capacitor debe conservar la carga por 1/25 = 40 mS. Para comenzar hacemos un calculo aproximado por constante de tiempo, es decir que hacemos una constante de

tiempo con la resistencia del parlante y el capacitor incgnita. Por ejemplo 50 mS o 0,05S para hacer nmero redondos. Es decir que RC = 50 mS de donde se deduce que con R de 8 Ohms C = 0,05/8 = 0,0062 F o 6,2 mF o 6.000 uF es decir un valor bastante elevado que por lo general se reemplaza por 4700 uF. En lugar de hacer un clculo aproximado es mejor utilizar el Workbench Multisim para hacer un calculo exacto mediante el analizador de Bode. En la figura 7 se puede observar el circuito de un generador y un parlante representado por un resistor de 8 Ohms.

Fig.7 Respuesta en bajas frecuencias de un parlante excitado a capacitor La respuesta en frecuencia se mide moviendo el cursos del analizador de Bode hasta que la seal caiga 3 dB aproximadamente. En nuestro caso eso ocurre cuando la frecuencia es de 4 Hz lo cual significa que se puede usar un capacitor mas chico por ejemplo de 470 uF y volver a probar con lo que se obtiene un corte de baja frecuencia de 40 Hz totalmente aceptable para nuestros requerimientos. Ahora que desarrollado nuestro circuito de salida podemos prepararlo como para hacer todas las mediciones posible con osciloscopio, vatmetro y tester para observar las caractersticas completas de nuestro circuito con una fuente de 12V y una carga de 8 Ohms.

Medicione

obre el circuito de alida

En la figura 8 se puede observar nuestro circuito de salida con los agregados de un osciloscopio, un tester y un vatimetro.

Fig.8 Mediciones completas sobre la salida de potencia Primero vamos a analizar los puntos donde se realizan las mediciones. 1. El o cilo copio lo conectamos sobre la salida de seal del amplificador, que en este caso est reemplazado con un generador de funciones. 2. Como estamos imitando un amplificador con una fuente de 12V de CC, la seal (de color naranja o gris claro en blanco y negro) la ajustamos para que cubra una tensin 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 extrao de indicar la amplitud pico a pico). 4. El offset debe ajustarse para que la tensin de salida flucte entre 0V y 12V y esto ocurre con una tensin offset de 6V. 5. La frecuencia de medicin se elige en 1 KHz que es el valor standard utilizado en audio. 6. El tester est midiendo la salida del amplificador y si lo abriramos indicara una CA de 4,24V que es el valor eficaz de una seal senoidal con un valor de pico de 6V. Nota: un tester digital comn no llega a medir una frecuencia de 1 KHz porque solo estn preparados para realizar mediciones de 50 Hz. Le aconsejamos al lector que descargue la Sonda de RF de picerno.com.ar. Esta sonda indicar directamente el valor de pico de la salida es decir 12V, en cambio si Ud trabaja con un milivoltmetro de CA por ejemplo obtendr el valor eficaz de la CA de salida es decir 6/1,41 = 4,24V. El vatmetro tiene cuatro cables de conexin. Dos para medir la tensin 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 cada de -3 dB a una frecuencia de 40 Hz. Con todo lo visto hasta aqu podemos desenmascarar a muchos fabricantes de amplificadores de audio que pueden realizar el milagro de obtener valores de potencia mayores a los indicados como mximos por medicin de la tensin de fuente y

observando la impedancia del parlante. Recuerde que la tensin de fuente se debe medir a pleno consumo y nunca con el sonido cortado y si el amplificador es estereofnico deben estar consumiendo ambos canales. Excite al amplificador con una seal senoidal de 1 KHz y levante el volumen lentamente hasta que escuche una distorsin causada por la saturacin del amplificador; baje el volumen hasta que desaparezca la distorsin y mida la salida del amplificador con la sonda y el tester. Calule la potencia y ver como adelgazan los vatios prometidos. Ahora vamos a hacer un comentario prctico. Si Ud. no tiene osciloscopio, ni vatmetro deber arreglarse solo con el tester digital y la sonda agregada para tr ansformarlo en un medidor de pico de CA conectado sobre la salida del amplificador. Y el generador de funciones? Si no tiene un generador de audio le aconsejamos que utilice la PC como generador de funciones segn indicamos a continuacin.

La PC como generador de funcioneInternet le ofrece varios generadores de funciones. Si ingresa a un buscador general como el Google y pide por la palabra clave Generador de audio para PC tiene varios disponibles. Si Ud. conoce algn otro generador que funcione realmente por favor deje un comentario para que lo publiquemo en beneficio de nue tro lectore pero primero prubelo exhau tivamente; no lo de por bueno olo porque tenga una bonita pre entacin.

Fig.9 Generador de funciones por PC Ud puede elegir entre 5 forma de seal (arriba a la izquierda debajo del botn de STOP) senoidal, cuadrada, triangular, diente de sierra y salva de senoides. Para elegir el nivel debe pulsar el ultimo icono de la misma paleta de herramientas que tiene el smbolo de un amplificador cruzado con una flecha roja. En la parte activa de la pantalla aparece dos renglones. El primero sirve para cambiar la frecuencia. Pulse sobre el rengln y ver que se activan las teclas + y que le permiten cambiar la frecuencia de 2Hz a 20 KHz. Si pulsa dos veces sobre el rengln aparecer un cuadro de dialogo que lo invita a escribir la frecuencia deseada. Si pulsa sobre el segundo rengln puede cambiar la amplitud indicada en dB. La salida mxima es de 0 dB es decir 640 mV eficaces sobre la salida para los amplificadores de PC. Si desea una mayor seal de salida puede tomar el cable que conecta un bafle con el otro que corresponde a la conexin del parlante del bafle que no posee amplificador.

Circuito con doble fuenteComo vimos en el punto anterior, cuando se alimenta un amplificador con una fuente nica, la salida en reposo (sin seal de audio en la entrada) queda en la mitad de la tensin de fuente (por ejemplo 6V en los amplificadores para automviles con batera de 12V). Esto implica el uso de un capacitor electroltico relativamente grande y caro o una importante perdida de seal en bajas frecuencias. La solucin es una complejidad mayor de la fuente pero una simplificacin de la etapa de salida: el uso de una doble fuente positiva y negativa para que la corriente por el parlante tenga posibilidad de invertirse. En la figura 10 se puede observar un circuito elemental con un potencimetro que cumple con este criterio.

Fig.10 Circuito de salida elemental con fuente doble En este caso la condicin de reposo de salida es con tensin nula (potencimetro en el medio) y esto significa que el parlante no necesita tener un capacitor de acoplamiento; puede estar conectado directamente a la salida, mientras la salida garantice que va a estar en cero. Por lo general dada la peligrosidad de esta disposicin los amplificadores siempre tienen una proteccin contra el desbalance de la salida. En este circuito cuando el potencimetro est en el extremo superior la corriente circula hacia abajo por la resistencia de carga y cuando esta en el extremo inferior circula para arriba ya que se adopta el sentido convencional de la circulacin de corriente como del positivo al negativo. En la figura 11 mostramos los oscilogramas correspondientes a esta disposicin considerando que las fuentes son de 12V y que la resistencia de carga es de 8 Ohms. Nota: no conectamos el medidor de Bode porque la respuesta se extiende hasta 0 Hz es decir CC.

Fig.11 Oscilogramas correspondientes a una salida con doble fuente Ahora podemos observar que la seal de salida tiene una posibilidad de excursionar desde -12V hasta +12V es decir una tensin pico a pico de 24V. Esto implica un valor de pico de 12V y un valor eficaz de 8,48V tal como lo indica el tester. La potencia no es el doble, sino cuatro veces la original ya que en la formula de la potencia la tensin esta elevada al cuadrado. Intuitivamente podemos decir que al aumentar la tensin al doble sin cambiar la resistencia de carga se duplican en ella tanto la tensin como la corriente y esto implica un incremento doble de la potencia que para nuestro ejemplo llega a 8,96W aprox. 9W.

Conclu ioneEn esta leccin nos introducimos en el mundo de los amplificadores de audio. El amplificador de audio es lo primero que arma un estudiante de electrnica. Es por lo general su proyecto de tesis del ultimo ao de la secundaria. Pero est tan trillado, que por lo general los profesores lo consideran como algo hecho por cumplir y que no aporta nada nuevo. Nosotros vamos a redescubrir el audio con proyectos tan novedosos que sus profesores van a quedar sorprendidos al observar que un tema clsico puede ser muy novedoso. Vamos a aplicar soluciones diferente al tema del audio como por ejemplo el tema de los amplificadores que dieron en llamarse amplificadores digitales de 1bit. Y no le decimos nada mas, para crear el gancho hasta la prxima entrega. Solo le pedimos a aquellos que aun no tiene instalados el Workbench Multisim 9, lo instalen ya, antes de recibir la prxima entrega porque en caso contrario se van a perder lo mas didctico de nuestro curso. Como complemento de nuestro estudio aprendimos a transformar nuestro tester en un voltmetro de CA de audio.

Apndice Evolucin de lo amplificadore de audio

Los amplificadores de audio estn cambiando muy rpidamente, as que aun los tcnicos que hace muchos aos que trabajan en el tema, no conocen que los amplificadores de audio ahora son digitales. Inclusive los parlantes estn cambiando. El viejo y conocido parlante analgico de 2 terminales (masa y vivo) est siendo reemplazado por parlantes digitales multifilares de 8 a 16 salidas, una masa y un bobinado de realimentacin. Si, los parlantes ya son digitales y nosotros vamos a explicarles a los enconadores de parlantes, a modificar un parlante analgico y convertirlo en un parlante digital. El ltimo grito de la moda son los bafles digitales provistos de 8 parlantes en donde el medio ambiente, el aire, realiza la transformacin digital analgica en el mismo odo de usuario. Es decir que el viejo concepto de procesar la seal digitalmente y luego convertirla en una seal analgica antes de enviarla al amplificador de audio que es analgico ya perdi validez. Se puede amplificar digitalmente y luego transformar la seal analgica en digital en el mismo parlante. O inclusive llegar hasta el ltimo bastin analgico que es el propio odo humano y realizar la conversin dentro de l.

18/ Ampli icador Pus PullVamos a analizar los amplificadores de audio desde lo ms simple a lo ms complejo. El audio es un tema muy especial porque es el primer circuito complejo con el que suele experimentar un estudiante. Por complejo nos referimos a que tiene mas de 5 transistores o un circuito integrado. Y lo mas simple que vamos a analizar en esta entrega es una etapa de salida push-pull (literalmente: tira y afloja) a transistores bipolares. Vamos a dejar de lado los amplificadores a transformador (tcnicamente Clase A) porque ya no se utilizan en ningn equipo dado su bajo rendimiento.

La generaci n de calor en los transistores de salidaEn la leccin anterior comparamos los transistores de salida con un potencimetro y dijimos que el problema de los transistores es que nunca se llegan a cerrar o a abrir del todo y entonces cuando circula la corriente que opera al parlante se calientan debido a que cuando circula una corriente por un resistor se genera potencia elctrica y por lo tanto calor. Y donde hay calor hay perdida de rendimiento. La potencia de la fuente de poder no se transforma solo en energa sonora; parte se transforma en calor. Los rendimientos clsicos de una etapa de salida estn tan solo en el 60% aproximadamente. Esto no solo significa que la fuente debe entregar mas energa, sobre todo implica que los elementos que desperdician esa energa transformndola en calor son precisamente los mas caros de un amplificador: los transistores de salida y que el nico modo de protegerlos es montndolos sobre disipadores de aluminio que son caros y voluminosos.

Pero para que un transistor se pueda montar sobre un disipador debe ser un transistor especial. Debe tener una superficie de montaje plana que haga un buen contacto mecnico con el disipador y entonces pasan a llamarse transistores de potencia. En la figura 1 se pueden observar los dos tipos mas comunes de t ansistores de potencia que r existen en el momento actual.

Fig. 1 Encapsulados clsicos de transistores de potenciay y

y

Observe que en ambos casos los transistores tienen una o dos perforaciones que permiten montarlos sobre un disipador de aluminio. La superficie de montaje suele estar conectada al colector (por lo menos en los dos tipos de encapsulados que mostramos) de modo que si el disipador esta conectado a tierra, o vamos a usar el mismo disipador para montar dos componentes se debe realizar un montaje que los asle elctricamente y los acople trmicamente al disipador. Por lo general se utilizan aisladores de mica o de plstico conductor del calor y niples de plstico para los tornillos de modo que los colectores que estn conectados a la carcaza en el TO3 o a la chapita de montaje del TO220 queden elctricamente aislados y disponibles para el circuito.

Nota1: la carcaza del encapsulado TO3 no posee pata de conexin por lo tanto la misma se debe efectuar a travs de uno de los tornillos de anclaje o de un terminal semilla montado en la cabeza del tornillo y conectado con un cable. Nota2: ya sea que se use o no se use aislador de mica, o de plstico, para que el transistor este trmicamente conectado al disipador, se debe utilizar grasa siliconada entre las superficies de apoyo de los transistores y el disipador.

Circuito de la etapa de alida pu h pullEn la figura 2 mostramos el circuito mas bsico posible de una etapa de salida de audio con fuente positiva solamente conectada a un generador de funcioneslista para excitar un parlante.

Fig.2 Amplificador de potencia bsico excitado por un generador de funciones Analizando el circuito se observa que consta de dos transistores de potencia complementarios: Q1 que es un NPN y Q2 que es un PNP. Q1 se encarga de hacer circular corriente desde la fuente al parlante cargando adems a C1 y Q2 se encarga de hacer circular corriente desde el parlante a masa descargando al capacitor C1. La palabra cargar y descargar es aqu prcticamente metafrica; porque realmenteC1 se carga y descarga muy poco durante cada ciclo (la tensin sobre l prcticamente no vara) aun a la frecuencia mas baja que puede reproducir el circuito y que se estima en unos 25Hz. Pero el concepto debe quedar bien claro: C1 se carga desde la fuent y se e descarga a masa aunque solo sea unos mV. El encargado de excitar a estos transistores es el llamado transistor driver Q3 (la traduccin literal de driver es conductor o chofer, es decir el que maneja algo pero preferimos dejar el trmino en Ingles). En la entrega anterior llegamos a la conclusin que cuando un amplificador se alimentaba desde una sola fuente positiva (en nuestro caso 12V) la tensin de reposo de la salida deba ser exactamente igual a la mitad de la tensin de fuente (en nuestro caso 6V) para que cuando recortara los dos semiciclos de la salida lo hiciera parejo. En nuestro circuito inicial la fuente de polarizacin es el mismo generador de funciones, que tiene la posibilidad de variar tanto la alterna como la continua de salida. Para comenzar colocamos una seal muy pequea de entrada (1 mV o menos) y medimos la tensin de salida ajustndola en 6V por modificacin de la tensin de offset del generador. Luego podemos levantar la seal alterna lentamente y observar con un osciloscopio sobre la salida que la misma se genera sobre un eje de continua de 6V. Ver la figura 3 en donde se puede observar que con 100 mV de seal de entrada se obtiene una seal de salida que oscila entre 2,68 y 9,14V. es decir unos 3,2V de pico lo cual implica una ganancia de unas 32 veces en tensin. Pero lo mas importante es que la impedancia de

salida del amplificador es suficientemente baja como para alimentar a un parlante de 8 Ohms.

Fig.3 Oscilograma de salida del amplificador elemental Aqu podemos observar que la seal de salida es aceptablemente senoidal sin embargo tiene una distorsin cerca del punto donde la salida se cruza con los 6V de polarizacin que vamos a analizar y corregir en el apartado siguiente.

La di tor in por cruceLa distorsin por cruce se puede apreciar mejor si reducimos la seal de entrada y adems acoplamos el osciloscopio a la alterna para poder aumentar la sensibilidad. Al mismo tiempo y para entender porque se produce vamos a conectar el otro haz del osciloscopio en las bases de los transistores de salida.

Fig.4 Oscilograma detallado de la distorsin por cruce

En verde se puede observar la seal en las base en tanto que en rojo se puede observar la seal de salida (emisores). Observe que el cursor de lectura rojo del osciloscopio se ajust a un valor de tensin de entrada de unos 530 mV positivos y que recin en ese valor comienza a aparecer tensin en los emisores de la salida debido a la barrera base emisor del transistor Q1. Algo similar ocurre en el semiciclo negativo en donde el cursor de lectura azul se ajust en el punto en que la tensin de las bases es -530 mV. En sntesis podramos decir que la distorsin por cruce se produce porque en cierto momento no conduce ni Q1 ni Q2. Y ese momento es precisamente cuando la seal de entrada pasa por cero. E ta e una falla de todo lo amplificadore a tran i tore bipolare y e podra olucionar colocando una batera entre la ba e en lugar de un puente. El oscilograma nos indica que si colocamos una batera de 530 + 537 mV entre las bases, apenas deja de conducir un transistor comienza a conducir el otro y desaparece la distorsin por cruce.

Fig.5 Circuito con la distorsin por cruce corregida con una pila En la figura 6 se pueden observar los oscilogramas de base deQ1 y de emisores en donde la distorsin desapareci por completo.

Fig.6 Correccin de la distorsin por cruce usando una batera Sin embargo es evidente que se trata de una solucin poco prctica por dos razones. La batera es un componente que debe reponerse y adems la compensacin es dependiente

de la temperatura porque como ya sabemos las barreras de los transistores vara a razn de -2,5 mV/C. La solucin debe ser prctica y debe estar compensada en temperatura. Existe mas de una solucin pero la mas completa consta de un preset y un transistor BC548 conectado segn el circuito de la figura 7.

Fig.7 Correccin de la distorsin por cruce utilizando un transistor y un preset La idea es generar una tensin entre colector y emisor de Q4 que reemplacea la batera. Pero como esa tensin ahora es ajustable se realiza la medicin de corriente de colector de Q1 (que en realidad es prcticamente igual a la corriente por Q2) con el miliampermetro del tester, a un valor de unos pocos miliamperes, para asegur arse que cuando la seal de entrada este dentro de la faja de 0 a 550 mV los dos transistores conduzcan una pequea corriente. Revisando el oscilograma de salida y de base de Q1 encontramos que es igual al de la figura 7. Este circuito est adems compensado en temperatura porque cuando baja la barrera de los transistores de salida tambin baja la barrera de Q4 y este conduce una mayor corriente de colector achicando la tensin entre las bases. Solo hay que tener la precaucin de poner a Q4 en contacto trm con el disipador de los transistores de ico salida para que los tres transistores estn a la misma temperatura.

La mxima excur in de alidaPara obtener el mejor rendimiento de un amplificador es necesario que pueda sacar una salida pico a pico igual a la tensin de fuente con la cual se alimenta. Pero ese es un mximo terico inalcanzable. Si observamos el circuito bsico de la fig. 5 podremos notar que la salida podr llegar hasta el valor de fuente. Solo podr llegar hasta donde lo permita la resistencia interna del transistor. Cuando la salida llega al mximo circula la mxima corriente por la carga y se produce una cada de tensin en Q1 igual a la resistencia de saturacin del transistor multiplicada por la corriente que circula. La tensin de fuente menos esa cada es el mximo valor al cual puede llegar la tensin de salida del amplificador.

La salida mnima est aun en peor condicin porque a la resistencia interna de Q2 se le suma otro problema. La base de Q2 solo puede llegar a cero volt cuando Q esta 3 saturado y por lo tanto el emisor de Q2 quedar 600 mV por arriba de ese valor. Vamos a realizar ahora una simulacin aumentando la seal de entrada para ver a que niveles reales llega la salida (mximo y mnimo) pero vamos a dejar el osciloscopio conectado tambin en la base de Q1 para entender cual es el problema que limita la tensin de salida.

Fig.8 Tensin de salida mxima del amplificador Como podemos observar la tensin de salida en rojo llega hacia abajo hasta alrededor de 1V, que es el valor teorizado, pero hacia arriba no llega a superar los 9,5V (seal roja o gris oscura en ByN). Pero tambin observamos que la seal de base no supera los 10,2V y por lo tanto no se puede esperar que la de emisor crezca mas. El limite la base de Q1 podra llegar a 12V si la base del Q1 no tomara corriente. Pero la base de un transistor de potencia toma bastante corriente porque son transistores que difcilmente tengan un beta mayor a 30 y por lo tanto requieren una buena corriente de excitacin.

El capacitor de bo trapEl problema se solucionara conectando el resistor R1 a una tensin mayor (de unos 15V por ejemplo) para que la base de Q1 pudiera subir hasta los valores deseados. Pero generalmente esa tensin no existe y por lo tanto se recurre a generarla en el mismo circuito utilizando la misma tensin de salida. El circuito se completa con un resistor y un capacitor que tiene nombre propio: el capacitor de bostrap (literalmente atraparse los propios pies ). Apenas se conecta el circuito a la fuente, aun sin seal la tensin en la unin de los resistores de colector de Q3 se genera una tensin de 9V (6V en la pata inferior de R1, 12V en la pata superior de R4 y por lo tanto 9V en la unin de los resistores). El capacitor se carga con 3V porque la salida tiene 6V y el punto de unin de los resistores 9; y como es suficientemente grande para no descargarse en todo el ciclo de trabajo mantiene a la unin de los resistores en Vs+3 (tensin de salida mas 3 voltios). Cuando la tensin de salida es la mxima llega a los 15V y asegura la saturacin de Q1.

Fig.9 Agregado del circuito de bostrap Como se puede observar ahora la tensin puede subir hasta prcticamente 12V y bajar hasta 1V, porque los dos resistores partidos de colector R1 y R4 y el capacitor de bostrap, generan una tensin en la unin de los resistores que tiene un pico mximo de unos 15V y por lo tanto Q1 se puede saturar sin inconvenientes. Note que al aumentar la tensin de fuente de R1 nos vimos obligados a bajar el valor de R2 para que el driver Q3 pudiera llegar a la saturacin aumentando su corriente de base. En este punto parecera que el circuito ya est funcionando correctamente pero aun tiene varios problemas. El primero es que se polariza desde una fuente externa (el generador de funciones) y el segundo es que la seal parece bastante deformada. Inclusive hay un tercer problema que es la inestabilidad de la tensin de salida sin seal. La tensin de salida (6V en nuestro caso) no debe variar con la temperatura y nuestro circuito no tiene nada que la estabilice (y los transistores se calientan bastante mas que la temperatura ambiente). Todas estas calamidades se resuelven con un proceso llamado de realimentacin negativa que requiere un estudio muy profundo porque se lo utiliza en incontables circuitos electrnicos y posee inclusive mas virtudes que las enumeradas.

La realimentacin negativa de CC y de CALa fuente de alimentacin de la base de Q3 podra colgarse desde la fuente de 12V. Quizs servira un simple resistor que ponga la salida en 6V. Pero tambin podra tomarse desde la salida misma si se tiene la precaucin de filtrar la tensin alterna que esta tiene. Esto asegura la estabilidad de corriente continua del sistema contra variaciones de temperatura. En una palabra se forma lo que se llama un lazo de realimentacin negativa. Imagnese que por cualquier razn, al calentar al dispositivo, la tensin continua de salida baje de 6 a 5 V. El resistor de polarizacin, al tener menos tensin hace circular menos corriente por la base del primer transistor. Esto implica menos corriente por el colector del mismo y por lo tanto una suba de la tensin de colector. Al subir la tensin de colector sube tambin la tensin de salida y compensa la reduccin original.

Fig.10 Autopolarizacin con realimentacin negativa El ajuste de la tensin de salida en 6V se realiz aqu por modificacin de la resistencia R5. Observe que primero se baj la seal de entrada para que la tensin de salida sea prcticamente una continua. Si simplemente agregamos el resi tor R5 el circuito tiene s resuelto el problema de la estabilidad de CC pero sigue persistiendo la distorsin que marcamos en el circuito original. La distorsin se debe a la caracterstica alineal de los transistores; el fabricante trata de fabricarlos lo mas lineales que pueda, pero hay consideraciones fsicas imposible de salvar lo cual nos obliga a utilizar alguna solucin similar a la utilizada para estabilizar el circuito contra las variaciones de temperatura. Se puede disear una realimentacin negativa que mejore la distorsin? Se puede y est agregada al circuito en paralelo con el resistor R5. Observe que se agreg R6, pero para no alterar la autopolarizacin con este agregado se coloc C4 que bloquea la CC de la salida, de modo que no pase por R6. Por R6 solo pasar la CA con destino a la base de Q3 y si lo analizamos con detalle estamos agregando una seal que se opone a la seal de entrada. En efecto cuando la seal de entrada sube, la seal de colector de Q1 baja y por lo tanto baja la salida. La salida se renva a la entrada formndose un divisor de tensin entre R5 y R2 que a los efectos de la realimentacin de CA es como si estuviera conectado a masa debido a que C3 tiene un valor de capacidad elevado y el generador tiene una resistencia interna casi nula. Una consecuencia de esta realimentacin negativa es la reduccin de sensibilidad del amplificador, pero el efecto de la realimentacin reduce enormemente la distorsin como se puede observar en el oscilograma de la figura 11.

Fig.11 Introduccin de la realimentacin negativa Aqu podemos observar que ahora debemos aumentar la seal de entrada de 60 mV a 660 mV es decir casi 10 veces para compensar la realimentacin negativa de R6. Pero la seal de salida es perfectamente sinusoidal (salvo los recortes de los picos que desaparecen si bajamos un poco la seal de entrada). La consecuencia (reducir la distorsin) es la buscada pero en realidad aun no sabemos porque se produce. Se produce por una sencilla razn. La seal de entrada colocada en el extremo izquierdo de R2 es perfectamente sinusoidal. La seal de salida colocada en el extremo derecho de R5 tambin sera sinusoidal si el amplificador fuera perfecto. En este caso en la base de Q3 tendramos una resta de seales Vb = Ve K . Vs en donde K representa el proceso de amplificacin en los transistores y de atenuacin en R5 y R2. La atenuacin en R5 y R2 no tiene distorsiones pero la amplificacin de los transistores si. En la prctica sabemos que el semiciclo negativo esta comprimido(ver el oscilograma 9). Esto significa que hay menos tensin de salida en el pico negativo que en el positivo y por lo tanto hay menos realimentacin negativa y un aumento proporcionalmente mayor de este semiciclo que del positivo.

Conclu ioneEn esta leccin analizamos un amplificador de potencia bsico. Tan bsico que me animo a decir que es el amplificador mas econmico que se puede fabricar. No lo hicimos con la intencin de indicarlo como producto industrial (ya indicaremos circuitos que el lector puede fabricar y vender) pero nuestro amplificador elemental posee todos los rganos que tiene uno mucho mas complejo. Es un dispositivo didctico y estamos seguros que muchos tcnicos que fabricaron amplificadores de audio mas completos, recin hoy entendieron los conceptos bsicos de la amplificacin de potencia. En la prxima leccin vamos a aprender a medirle las caractersticas a los amplificadores. Sabemos que nuestro amplificador es capaz de entregarle una tensin de 1 KHz con una amplitud pico a pico de 11V, a un parlante de 8 Ohms cuando le colocamos una seal de entrada de 660 mV (valor normalizado de seal de entrada de un amplificador o de 0dBm). Pero no podemos evaluar correctamente las caractersticas del mismo sin someterlo a una serie completa de mediciones que el armador debera

realizar en todos sus amplificadores.Vamos a someter a nuestro sencillo amplificador a todas las pruebas posibles y vamos a obtener algunos datos prcticos imprescindibles para armar amplificadores. Vamos a medirle la potencia mxima que puede entregar; el consumo sobre la fuente; el rendimiento; la posibilidad de conectarle un parlante de 4 Ohms (o dos en paralelo de 8); como agregarle un control de volumen; cual es su respuesta en frecuencia; cual es su distorsin armnica total; como se modifica la respuesta en bajos y en agudos; cual es su resistencia interna de salida y todo lo que a Ud. se le pueda ocurrir. Adems vamos a aprender a repararlo siguiendo un mtodo de trabajo que luego pueda servirnos para reparar amplificadores mas complejos. Y lo vamos a hacer siguiendo el criterio del reparador. Eso le va a servir posteriormente para reparar cualquier otro equipo incluyendo un TV a LC o plasma, porque el criterio es siempre el mismo. Yo lo llamo dividir para reparar y lo aplico desde que di mis primeros pasos en la electrnica hace medio siglo. Mi ayudante, que corrige lo que escribo, es aficionado a los amplificadores de audio y arm desde quipos valvulares (Willansom) hasta los digitales de ltima generacin y me confes que recin hoy, despus de leer este artculo entendi intuitivamente algunos conceptos que siempre aplic pero que el fondo no comprenda totalmente.

Apndice Metodologa de trabajo con laboratorios virtualesTodo lo vamos a hacer utilizando el laboratorio virtual Workbench Multisim tal como lo hicimos en la presente leccin. Por si el lector no se dio cuenta, le aclaro que para disear nuestro amplificador elemental yo no use nada mas que el laboratorio virtual, mi conocimiento del tema y el criterio. No realice una sola cuenta con la calculadora; solo puse los componentes y ajust sus valores por tanteo. En otra poca sin el WB tal ves tendra que haber estado un par de das calculando y armando el prototipo para asegurarme que no me haba equivocado. Hoy demor un par de horas en disearlo por tanteo, sin considerar el tiempo que me llev escribir todo el procedimiento, de un modo que creo que no puede ser mas didctico. Y en la prxima leccin vamos a inaugurar un mtodo didctico nunca empleado hasta ahora. En lugar del clsico interrogatorio, le vamos a entregar junto con el artculo varios archivos de WB. Estos archivos tienen nuestro circuito amplificador con un material daado (sin que se lo note el dibujo). Ud deber correr el archivo y utilizando los instrumentos del WB, repararlo cambiar el componente que considera daado y probarlo para estar seguro que funciona. Pngase en campaa para conseguir un WB si es que no lo tiene ya, porque no existe ninguna razn para no tenerlo en su PC. Para mi es la herramienta mas poderosa que puede tener un reparador y Ud. no se puede perder esta experiencia didctica nica. La respuesta con los materiales daados no va a salir publicada. Si no puede reparar el amplificador pngase a estudiarlo nuevamente y vulvalo a intentar hasta que funcione. No vale cambiar todos los materiales; debe hallar la falla por deduccin.

19/ Reparaci n de ampli icadores de audioTodo dispositivo electrnico de entretenimiento tiene un amplificador de audio. En efecto, radios, TVs, centros musicales, Home teather etc. y mucho dispositivos de comunicaciones tambin como. El telfono celular, el telfono electrnico con o sin hilos, los equipos de BLU etc. Por lo tanto un reparador debe conocer los circuitos amplificadores a la perfeccin. Ud. estar pensando que en la actualidad los amplificadores estn integrados y no se necesita saber como funciona internamente un CI. Y yo le voy a responder que est equivocado. Si bien es cierto que no se puede reparar un CI por dentro, es necesario saber como funciona para entender conceptualmente la electrnica. Y en este caso particular de los push pull est doblemente equivocado porque los amplificadores de mayor potencia estn fabricados con componentes discretos debido a que son componentes que disipan mucho calor. As que dejemos esta discusin y pongmonos a trabajar en forma concreta. En la leccin anterior yo asegur que el proyecto entregado no era algo prctico y que luego indicaramos algn circuito mas adecuado para realizar un trabajo prctico. Mi revisor ortogrfico me escribi indicndome que mi circuito esta formando parte de su viejo Citroen 3CV al que no le puede poner radio ya que Los amigos de lo ajeno le cortan la lona y se la roban. Ahora usa una radio de mano y la salida de parlante se la conecta a nuestro amplificador con excelentes resultados y con la satisfaccin que da el hgalo Ud. mismo. En esta leccin vamos a comenzar a utilizar un mtodo de evaluacin diferente al habitual. Le vamos a entregar archivos de WB con nuestro circuito del amplificador pero con componentes daados. Ud. lo tiene que correr en su computadora, verificar la falla y repararlo utilizando todos los instrumentos virtuales del WB y los conocimientos adquiridos en este curso. El nico dato que le vamos a dar adems del archivo es lo que podra decir el usuario al traer su amplificador a reparar. Esto es lo que se dice una verdadera prctica de reparacin y hasta donde sabemos es la primera ves que se emplea en todo el mundo. Espero que me copien la idea para que se difunda de una buena vez todo lo relacionado con los laboratorios virtuales y especialmente el uso del WB.

Medici n de la potencia de salida de un ampli icadorPara medir la potencia de salida de un amplificador se necesitan tres cosas que por lo general no tiene ningn reparador. Sin embargo las tres se pueden reemplazar con un poco de ingenio y muchas ganas de trabajar bien. El ingenio corre por mi cuenta. las ganas de trabajar las tiene que poner Ud. Vamos a suponer que Ud. quiere trabajar reparando equipos electrnicos o dedicarse a la electrnica como hobbista pero de los buenos; gastando poco pero realizando todos los pasos conducentes a armar y probar amplificadores de buena potencia. Va a necesitar:y y y

una carga estereofnica un generador de seales un osciloscopio o algo que lo reemplace

Carga e tereofnica 8 Ohm 200 WY lo primero es realizar una resistencia de carga de 8 ohms 200W. El modo mas rpido de realizarla es utilizando resistores de alambre de 25W. Como seguramente no va a conseguir resistores de 1 Ohms 25W para ponerlos en serie, lo nico que le queda por hacer es utilizar 8 resistores en paralelo de 68 Ohms 25W que dan un valor de 8,5 Ohms que se encuentra dentro de una tolerancia aceptable aunque no es lo ideal. Como seguramente estos resistores no van a ser fciles de encontrar recomendamos otro mtodo muy simple que es utilizar alambre de cobre esmaltado de un dimetro de 0,30 mm aproximadamente. En general la fuente de este alambre es un taller de bobinado de motores. Pregunte por su barrio a ver si consigue algn rollo con restos de alambre. 1. Tome 10 metros y mdalos con el tester digital bien ajustado y sin utilizar las puntas del tester. 2. Simplemente estae la punta del alambre de 10 metros colquelas en los bornes del tester y apritelas con alguna cua de madera redondeada. 3. Luego debe realizar una regla de tres simple del tipo: si 10 metros de alambre tienen una resistencia de x Ohms una resistencia de 8 Ohms deber tener z metros de alambre. 4. La formula de calculo sera z = 10 . (8/x) 5. Luego tome una tabla de madera de unos 20 cm de ancho y bobine el alambre a espiras separadas (aproximadamente 1mm) para que disipe mejor. 6. Luego coloque dos chapas de aluminio anodizado negro (o natural), algo mayores que la madera apretando el bobinado y utilizando grasa siliconada entre el bobinado y el aluminio (no se dibujaron los tornillos para mayor claridad).

Fig.1 Resistencia de carga simuladora del parlante Nota: Como valor de referencia le indicamos que 10 metros de alambrede 0,20 mm de dimetro tienen una resistencia de 6,6 Ohms. En el momento actual todos los equipos son estereofnicos. Esto significa que Ud. debe encarar la resistencia de carga por duplicado ya que una medicin exacta implica medir los dos canales al mism tiempo o para tener en cuenta la cada de tensin en la fuente de alimentacin que no es regulada. Por lo general los equipos actuales son de 8 o de 4 Ohms; esto significa que si quiere tener un laboratorio bien equipado necesita 4 resistores iguales paraponerlos en paralelo de a dos y formar 4 Ohms. Ud. estar pensando que lo que le pido es muy complejo pero no tiene otra solucin mas simple o mas econmica. Tambin estar pensando que d. nunca vio semejante artefacto en una Laboratorio de audio y es verda Por lo general

los vatios de los amplificadores de fabricacin artesanal, son mas imaginarios que reales y los fabricantes no saben bien que potencia tiene lo que fabrican; de ese modo puede mentir mas alegremente sin tener cargos de conciencia. Ni pien en utilizar los se parlantes del equipo para hacer la medicin, primero porque si Ud. es capaz de soportar 400W reales dentro de su laboratorio debe estar sordo o lo va a estar en poco tiempo y segundo porque es probable que los parlantes no soporten una p otencia continua de 200W y devolverle los parlantes quemados al usuario no va a resultar muy fcil. Este no es un comentario gratuito; el autor sabe que en los comercios de Argentina se venden parlantes de procedencia ignota con nombres de fantasa, que ti nen un imn tan e deficiente que su potencia de salida de audio es muy baja. Y si la potencia entra pero no sale, la bobina mvil se calienta y se quema en pocos minutos. Con msica aguantan un poco mas pero la prueba real con un tono de audio no la soporta n.

Generador de eale de audioEl segundo instrumento que Ud. necesita es un generador de audio. En la entrega anterior le indicamos una solucin que implicaba el uso de la computadora y un programa gratuito bajado de Internet, pero tambin tiene otra so lucin que es un disco CD grabado con tonos de audio y que se reproduce en un centro musical o en un DVD. No es lo mismo utilizar un equipo u otro. El centro musical es lo mas adecuado porque ya tiene baja impedancia de salida, debido a que posee sus propi s amplificadores de o audio. El problema es que la tensin de salida para el parlante es muy alta y puede quemar al circuito de entrada del amplificador bajo medicin. Debe usarlo a travs de un control de nivel realizado segn la figura siguiente.

Fig.2 Atenuador para centro musical Observe que representamos al centro musical con un generador de funciones al que le asignamos una tensin de salida de 30V de pico que es un valor muy comn como tensin mxima. Al agregarle un divisor por 34 veces llevamos es salida a a aproximadamente 1V que es doble de lo que necesita un amplificador como seal de entrada por su entrada auxiliar. El agregado del diodo D1 y el capacitor C1 nos permite medir la salida con un tester analgico o digital. Recuerde que la seal deentrada de los amplificadores se suele dar en tensin eficaz as que deber dividir por 1,41 primero y luego por 34 para obtener el valor eficaz de entrada. En una palabra que debe tomar lo que indica el tester y dividirlo por 50 para saber cual es la tensin de salida de nuestro generador casero. Es obvio que para obtener seales menores se debe operar el control de volumen del centro musical.

y

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El problema cuando se usa un DVD es totalmente diferente ya que el mismo no tiene amplificador interno y solo genera 660 mV con una carga de 75 Ohms aplicada en su salida izquierda o derecha. Esta tensin por lo general es suficiente porque se va a 1,32 V si se carga a alta impedancia (por lo general las entradas de los amplificadores son de 1KOhms). Otro problema es que el DVD no tiene control de nivel de salida por lo tanto se debe colocar un potencimetro de 1 KOhms entre la salida y masa y tomar seal del cursor. Otro problema es determinar fcilmente el nivel de salida. El nico recurso que podemos aconsejar es utilizar la Sonda de RF que transforma el tester digital en un milivoltimetro y conectarla entre el cursor y masa.

O cilo copio mtodo alternativo con un diodo 1N4148 y un capacitorPor ltimo debemos medir la salida del amplificador bajo prueba y detectar el momento en que se recorta la seal de salida. El instrumento idneo es un osciloscopio pero vamos a suponer que el lector no lo tiene. La medicin se puede realizar con un diodo 1N4148 y un capacitor tal como lo indicamos en la figura 3.

Fig.3 Medicin de tensin de recorte positiva La idea es bajar la seal de entrada y comenzar a aumentarla gradualmente. Se observar que la tensin de salida aumenta proporcionalmente a la tensin de entrada hasta que llega a cierto valor y que luego no aumenta mas. Ese valor es la tensi n de recorte positiva que en este caso es de 5,3V aproximadamente. Luego se debe invertir el diodo D1 con el fin de poder medir el pico negativo de la salida. Si el tester es de aguja se deben invertir sus puntas. Ahora se debe comenzar un procedimiento i ntico al d anterior hasta que la indicacin del tester no aumente ms, esa es la tensin de corte negativa que en nuestro caso es tambin de 5,3V indicando que el amplificador tiene el recorte muy parejo. Ahora solo hay que realizar el calculo de la potenc de salida que ia ya sabemos realizar de entregas anteriores: la tensin de pico es la menor de las dos tensiones medidas en caso de que fueran diferentes; en nuestro caso es de 5,3V. El valor eficaz de esta tensin es Vef = 5,3V/1,41 = 3,76V y esa tensin aplicada a un resistor de 8 Ohms desarrolla una potencia Pmax = (3,76)2/8 = 1,76W Para los que no son muy duchos en matemticas calcule el valor eficaz de la salida dividendo el valor indicado por el tester por 1,41. Luego tome el valor eficaz, multiplquelo por si mismo y divdalo por la resistencia del parlante para obtener la verdadera potencia de salida. Parece un valor muy pequeo pero no es posible aumentar la potencia de salida si no se aumenta la tensin de fuente o se reduce el valor de la resistencia de carga o se cambia de circuito,

porque este circuito est optimizado y su potencia mxima si los transistores fueran ideales sera: (6/ 4 / = 6W que es muy cercana a la anterior.

Medici n de la sensibilidad a nivel de recorteUn amplificador es un bloque intermedio entre la fuente de seal (en nuestro caso la seal de salida de la radio) y el parlante. La sensibilidad es la tensin de entrada que se requiere para llevar al amplificador al nivel de recorte. La misma medicin anterior nos da la respuesta. El amplificador tiene una sensibilidad de 640 mV de pico o de 640/1,41 = 453 mV eficaces. Para nuestro caso alcanza perfectamente pero podra no alcanzar o ser excesivamente grande. Cmo se puede ajustar el nivel de sensibilidad de nuestro amplificador? El modo idneo es por variacin del resistor de realimentacin negativa para la CA que en nuestro caso es R6. Le pedimos al lector que modifique el valor de R6 a 4,7 Kohms y pruebe el nuevo valor de sensibilidad a recorte. Observar que la misma ser ahora de 430 mV de pico o de 305 mV eficaces. Pero no se pierde nada al reducir la realimentacin negativa? Se pierden varias cosas muy importantes. En principio podemos asegurar que aumenta la distorsin ya que la realimentacin negativa fue agregada para reducirla y se pierde respuesta en frecuencias bajas y altas. Mas adelante vamos a ver que la realimentacin influye tambin sobre otros factores.

Rendimiento del ampli icadorEl alumno debe entender el concepto del rendimiento generalizado para cualquier mquina como: la energa que entrega la mquina divida la energa que consume. Este no es un concepto electrnico sino que es un concepto mecnico que los dispositivos electrnicos deben cumplir a ultranza porque corresponde a lo que podramos llamar una ley superior. Y el rendimiento debe ser siempre inferior a la unidad porque en caso contrario habramos inventado el movimiento continuo. Muchas veces el autor observa los centros musicales procedentes de oriente que claramente indica el consumo sobre la red como de 200W y mgicamente tiene especificada una potencia de salida de audio de 250W+250W (estereo). Esto significa que entregan 500W y consumen 200W. Si con un rendimiento normal menor a 1 el equipo se calienta con ese rendimiento de 500/200 = 2,5 el equipo debera enfriar. Si, busque bien porque seguramente encontrar una cubetera de hielo por algn lado. Volvamos a la realidad; nuestro equipo pertenece al mundo fsico y por lo tanto se calentar indicando que tiene un rendimiento menor a uno. Cunto menor? Es lo que vamos a medir. Desde que ajustamos la corriente de vaco para reducir la distorsin por cruce nuestro amplificador qued con un ampermetro en serie con la fuente. Lo dejamos colocado porque el nos va a indicar cual es el consumo y por lo tanto el rendimiento de nuestro amplificador. En nuestro circuito simulado utilizamos una fuente regulada de 12V. Por lo tanto no necesitamos medir la tensin de fuente para realizar el calculo de la potencia mxima de salida sabemos que siempre va a ser de 12V. En el caso real la fuente de energa no es regulada y cuando consumimos mucho cae. En ese caso se debe medir tensin de fuente y corriente de fuente. Y como seguramente el amplificador ser estereofnico y usar una sola fuente comn no solo debe estar funcionando el amplificador bajo medicin sino tambin el del otro canal y deben tener ambos la carga nominal que en nuestro caso es de 8 Ohms. Si observa la figura 3 ver que el ampermetro indica 0,25 mA aproximadamente cuando sale la potencia mxima de 1,76W. La potencia entregada por

la fuente ser de 12Vx0,25A = 3W El rendimiento es entonces bastante bajo ya que solo es de 1,76/3 = 0,6 o del 60% Es decir que el 40 % de la potencia de fuente se transforma en calor en los dos transistores de potencia porque 3W x 0,2 = 0,6W en cada transistor. Este rendimiento de potencia es el mnimo del amplificador en cualquier condicin? No; cuando el amplificador trabaja a menor salida tiene menor rendimiento. As que se debe realizar la medicin de rendimiento a diferentes potencias de salida para graficarlo o tabularlo. El WB nos evita el problema porque posee un watmetro que puede realizar el trabajo por nosotros si conectamos uno sobre la salida y otro sobre la fuente.

Fig.4 Medicin de rendimiento con vatmetros Observe que el vatmetro es un instrumento de cuatro terminales, dos de corriente y dos de tensin. La seccin de corriente se conecta en serie con la carga y la seccin de tensin en paralelo. En la tabla siguiente se puede observar el rendimiento a diferentes seales de entrada y salida. Pot. Salida [W] Pot. de fuente [W]] Ten in de ent. [mV] Redimiento [%] 1,93 1,78 1,25 0,81 0,95 0,19 0,01 2,74 2,64 2,21 1,77 1,32 0,865 0,19 630 600 500 400 300 200 50 64 67 56 45 34 22 5

Tabla de rendimiento de un amplificador push pull bipolar Observe que los resistores de colector del driver R1 y R4 no estn conectados al vatmetro, es decir que el rendimiento real considerando la potencia de excitacin es aun menor que el considerado porque el driver maneja una potencia considerable para poder excitar a los transistores de salida que tienen un beta relativamente bajo. El rendimiento de un amplificador real considerando la salida y el driver es del orden del 50%. Cuanto

combustible fsil desaparece por hora en todo el mundo debido a semejante desperdicio?

Medicin de di tor inSi en un laboratorio casero de fabricacin de amplificadores, no se realizan ni las mediciones mas elementales, el lector puede imaginarse que la distorsin es un parmetro imposible de medir porque requiere instrumental especifico. En efecto la medicin requiere un instrumento llamado medidor de distorsin armnica total que difcilmente se encuentre en un taller de reparaciones. Nosotros solo vamos a analizar la influencia de la realimentacin en la distorsin y dejaremos el problema de construir un medidor de distorsin para mas adelante ya que realmente no es imposible fabricarlo en forma casera, con amplificadores operacionales y ayudado por la seccin de clcul s de o filtros del WB. En la figura siguiente se puede observar la conexin del instrumental para medir la distorsin y el ajuste del nivel de entrada que como vemos fue realizado a media potencia que es lo especificado internacionalmente.

Fig.5 Medicin de la distorsin armnica total El medidor de distorsin ya est ajustado por defecto para realizar una medicin de audio a una frecuencia de 1 KHz con una resolucin de 100 Hz y con un display que indica directamente porcentaje de distorsin. Como podemos observar nuestro amplificador tiene una DTH (Distortion Total Harmonic = distorsin armnica total) del 0,33% lo cual indica un comportamiento muy adecuado del amplificador. La distorsin es funcin de la realimentacin negativa del amplificador. Recuerdeque fue agregada para evitar un apreciable apartamento de la forma de seal senoidal de entrada. El mejor modo de verificar el funcionamiento de la realimentacin negativa es reducirla a la mitad llevando el valor de R6 a 6.8Kohms, reajustando la seal deentrada al valor nominal de seal de salida y midiendo nuevamente la distorsin. Al realizar este cambio observamos que la sensibilidad del amplificador es ahora doble de la anterior y que la TDH se incremento a 0,63% que es lo que realmente indica un an lisis terico del problema: si la realimentacin negativa se reduce a la mitad la distorsin y la sensibilidad se duplican.

La medicin de re pue ta en frecuenciaEs comn que los alumnos se refieran a una distorsin cuando la seal de salida no es proporcional a la de entrada (distorsin de forma). Pero si el amplificador tiene una

respuesta en frecuencia inadecuada tiene otra forma de distorsin pero no dude que se trata de una distorsin que es este caso se llama distorsin por corte de la respuesta en frecuencia. El odo humano tiene un rango de respuesta de 10Hz a 20 KHz aproximadamente dependiendo de la edad y la educacin del odo. Por debajo de 10 Hz el odo percibe los ciclos senoidales como golpes separados del cono del parlante y por arriba de 20 KHz no tiene sensacin auditiva. Como el odo es incapaz de distinguir dos seales cuya amplitud difiera en menos del 33% (3 dB) la respuesta en frecuencia se mide considerando una cada de ese valor en frecuencias altas y bajas. 1. Ud. solo debe medir la tensin de salida con nuestro diodo y capacitor a 1 KHz, subir la frecuencia y observar la cada de tensin en el tester en un 33%. 2. Esa es la frecuencia de corte superior. 3. Luego hacer lo mismo hacia las bajas frecuencia y determinar el corte de frecuencia inferior. El WB nos facilita la medicin con el medidor de Bode que ya utilizamos en este curso para medir la respuesta de las bobinas a las RF. Como el medidor llega a frecuencias de audio nos permite medir automticamente la curva de respuesta en frecuen y cia modificarla si fuera necesario. En la figura 6 se puede observar el modo de conexin del medidor de Bode y la curva de nuestro amplificador.

Fig.6 Conexin del trazador de Bode Como se puede observar el trazador nos indica que la respuesta en altafrecuencia es excesivamente alta ya que llega a mas de 1 MHz. Por supuesto esto no puede perjudicar la audicin de los agudos pero una respuesta anormalmente alta puede generar oscilaciones espurias cuando se coloca un parlante real, con inductancia, adem de la s resistencia. En bajas frecuencias el corte est cerca de los 80 Hz lo cual se considera adecuado en principio ya que el amplificador debe tener poca respuesta a la frecuencia de resonancia del parlante y del gabinete acstico para evitar que genereun sonido a tonel en baja frecuencias. El modo idneo de cortar los agudos es mediante una realimentacin negativa capacitiva agregada a la red existente.

Fig.7 Agregado del capacitor de corte de agudos Como se puede observar ahora el corte se produce a lrededor de los 50 KHz para que no exista ninguna perdida de agudos pero evitando la mismo tiempo la posibilidad de oscilaciones.

Reparacione virtualePara cerrar esta entrega vamos a presentar algunos archivos de WB con nuestro circuito amplificador que tiene un material daado. El lector debe correr los archivos y encontrar el material daado haciendo mediciones con los instrumentos virtuales. Cuando est seguro de cual es el material daado deber cambiarlo y verificar si la falla qued reparada.

De cargay y y y y y

Descarga gratis del demo de Multisim Archivo BUD1971.ms9 No funciona BUD1972.ms9 Distorsiona a mximo volumen BUD1973.ms9 Tiene muchos bajos pero deformados BUD1974.ms9 No funciona BUD1975.ms9 Distorsiona a bajo volumen

Nota: tenga en cuenta alguna caractersticas del WB. Cada vez que se comienza una simulacin los preset se ponen automticamente a mitad de valor. En nuestro caso antes de correr la simulacin lleve el preset a 80%. El generador de funciones arranca en 1 Hz con 10V de amplitud. Utilice los parmetros correctos. Toda reparacin debe comenzar con la medicin de tensin de fuente; luego se deben medir las tensiones continuas del circuito que se pueden obtener de correr el archivo sin fallas que es el BUD1923.ms9 (con el agregado del capacitor de core de agudos) si tiene dudas utilice este circuito como si fuera el manual de service del equipo real (no se olvide de llevar el generador a 1mV o menos cuando mide tensiones continuas).

Mtodo del lazo abiertoUn circuito realimentado es muy difcil de reparar midiendo tensiones continuas porque una tensin modifica a las otras. Para medir tensiones continuas debe abrir el lazo de realimentacin negativa. Desconecte el resistor R5 de la salida y conectndolo a una fuente de aproximadamente 6V. Mida la salida y vare la tensin de la fuente unos mV para arriba y para abajo hasta que la salida est justo en la mitad de la tensin de fuente

del amplificador. Si la salida no vara es porque el equipo tiene una falla, deje la fuente en 6V y trate de seguir las tensiones desde la entrada a la salida hasta encontrar el componente daado. En la figura 8 se puede observar como se abre el lazo de realimentacin.

Fig.8 Mtodo del lazo abierto El tester digital en su funcin hmetro puede utilizarse si necesidad de desoldar los componentes, prcticamente en todos los casos. La razn es que el hmetro funciona con una batera virtual de 0,5V. Con este valor de tensin los diodos y los transistores bipolares no operan porque esa tensin est por debajo de la barrera de las junturas de silicio. En los modernos equipos con componentes de montaje SMD (montaje superficial o que no tienen terminales de alambre) es imprescindible el uso de tcnicas no invasivas. Es imposible soldar y desoldar un resistor o un capacitor sin alterarlo de algn modo. Los nicos casos que requieren desconexin del componente es cuando el mismo se encuentra en paralelo con un componente bobinado o de muy baja resistencia. El WB puede realizar una perfecta simulacin de un tester analgico pero debe tener en cuenta que para que funcione debe estar ope rando la simulacin. Desconecte la fuente de 12V del amplificador, active la simulacin y mida con el tester tal como lo hara en el mundo real. Recuerde que para que un cambio en el circuito sea reconocido por el WB (por ejemplo cambiar el valor de tensin de la fuente de lazo abierto) se debe apagar y volver a encender la simulacin. Dividir para reparar es una mxima que Ud. debe recordar en todo momento. Siempre hay que buscar el punto central de un equipo basto y realizar una medicin que permita determinar si la falla se encuentra antes o despus de ese punto. En nuestro caso, por ejemplo, Luego de abrir el lazo se pueden desconectar las bases de los transistores de salida y medir en el colector del driver. La tensin no cambia demasiado con o sin las bases conectadas. Si el problema se resuelve el dao est en alguno de los transistores de salida que tira abajo o arriba la tensin de colector.

Conclu ioneAs realizamos un anlisis de los principales parmetros de un amplificador y explicamos como se miden en forma virtual y real. Si Ud. aplica las tcnicas aprendidas

aqu puede estar seguro que tiene un conocimiento mas profundo del tema que muchos que se dedican profesionalmente al audio y que repararan cambiando componentes al azar. En la prxima leccin vamos a seguir realizando mediciones sobre el amplificador y sobre todo vamos a explicar como se le puede aumentar la potencia de salida realizando una conexin de dos amplificadores en puente.

20/ DisipadoresEn la entrega anterior aprendimos a medir las caractersticas mas importantes de nuestro amplificador:y y y y y y

Tensin de recorte Sensibilidad a tensin de recorte Potencia de salida Rendimiento Distorsin Respuesta en frecuencia.

Parece que est todo bien medido pero aun falta algo importantsimo; los parmetros trmicos. Sabemos que los transistores de salida deben montarse sobre un disipador con un aislador de mica y grasa siliconada pero no sabemos cual debe ser la superficie del disipador y su espesor. Inclusive no sabemos cual debe ser su color. Los parmetros trmicos de los componentes son tan importantes o ms que los elctricos. Inclusive tienen leyes equivalentes a las elctricas que nos permiten realizar clculos precisos. Pero luego del clculo vienen las mediciones y all fallan hasta los ingenieros mas fogueados. Basta con decir que la temperatura mas importante es la del chip de los transistores de salida y aunque parezca imposible en esta leccinle vamos a ensear a medirla sin ningn otro instrumento mas que un simple tester de aguja, los propios transistores de salida y mucho ingenio. Y porque la temperatura del chip es tan importante? Porque los transistores estn fabricados con cristal de silicio y este elemento qumico pierde su porpiadad como cristal a unos 200C destruyndose el transistor. Pero aun antes de llegar a esas temperaturas la vida de los transistores de potencia depende de la temperatura del chip. En efecto el chip est pegado sobre una lamina de cobre para transferirle su temperatura; y esta lmina se la transfiere al disipador externo. Si el chip llega a temperaturas muy altas se dilata mucho; lo mismo ocurre con la lmina de cobre; pero el coeficiente de dilatacin de ambos materiales es muy diferente y se produce un fenmeno de dilatacin diferencial que termina despegando progresivamente el chip del cobre con cada calentamiento y enfriamiento. Finalmente el chip se despega por completo y su calor no puede transferirse al exterior; se calienta por arriba de 200C y el transistor se destruye. Por eso la primer premisa es mejorar el rendimiento del amplificador y la segunda es disiparlo adecuadamente. Lo primero implica una medicin elctrica que ya sabemos hacer y lo segundo una medicin trmica.

Lo di ipadore de calorUn disipador es un componente metlico generalm ente de aluminio que se utilizan para evitar que algunos dispositivos electrnicos como, transistores bipolares, reguladores, circuitos integrados etc. se calienten y se daen. El calor que produce un dispositivo electrnico no se transfiere con facilidadal exterior del mismo. En incontables ocasiones esto produce daos en el propio componente y sus accesorios deteriorando incluso la plaqueta donde esta montado el transistor. Por ese motivo es necesario dotar al transistor de algn dispositivo que extraiga el calor producido. Para que un semiconductor disipe la potencia adecuada, hay que mantener la temperatura de la juntura (chip) por debajo del mximo indicado por el fabricante. El paso de la corriente elctrica por un semiconductor, produce un aumento dela temperatura del chip que llamaremos Tj. Si se quiere mantener la temperatura en un nivel seguro, deberemos evacuar al exterior la energa calorfica generada en el chip. Para que se produzca un flujo de energa calorfica de un punto a otro, debe existr una i diferencia de temperatura. El calor pasar del punto ms caliente al ms fro, pero diferentes factores dificultan dicho paso. A estos factores se les denomina, resistencias trmicas para asimilarlas a las resistencias elctricas. Algunos transistores son de plstico y otros son metlicos. La juntura es el lugar donde se genera el calor y se encuentra localizada en la propia pastilla o chip . Se trata de una zona muy pequea que puede alcanzar fcilmente los 150C, lo que suele llevar al transistor a su destruccin. De modo que es muy importante mantener la unin mecnica entre el chip y la cpsula (caja o carcasa del transistor) por debajo del mximo y en lo posible con un muy buen margen. La resistencia trmica entre el chip y la cpsula la suministra el fabricante y depender del tipo de cpsula del dispositivo. Cuando un circuito integrado o un transistor funcionan con una corriente apreciable, su temperatura de unin es elevada. Es importante cuantificar sus lmites trmicos, para alcanzar un funcionamiento aceptable en cuanto a confiabilidad. Este lmite es determinado por la suma de las partes individuales que consisten en una serie de subidas de temperatura de la unin del semiconductor con relacin a la temperatura ambiente. La figura 1 muestra la arquitectura de un circuito integrado y sus componentes resistivos trmicos descritos.

Fig.1 Transistor o CI con encapsulado plstico para montaje superficial Los componentes que son metlicos, transfieren con ms facilidad el calor que genera el chip, debido a que disponen de una superficie mejor conductora del calor y por

conveccin dicho calor se transfiere al aire que los rodea (Conveccin: enfriamiento debido al movimiento ascendente del aire caliente y la reposicin de aire frio). Al mismo tiempo estos dispositivos nos permiten realizar un mejor acoplamiento con otros elementos metlicos que a su vez absorben calor y adems permiten una mayor superficie de contacto con el aire que es el modo ms econmico de disipar calor. Los hay muy sofisticados y hasta existen algunos refrigerados por efecto Peltier (enfriamiento por celdas alimentadas por corriente) o por circulacin de agua, aceite u otros lquidos.

La ley de Ohm trmicaSe puede afirmar que, extrapolando los trminos, estamos ante una revisin de la Ley de Ohm para parmetros trmicos. En este caso la similitud son los trminos como temperaturas por tensiones, resistencias trmicas por resistencias hmicas y flujo de calor por corriente elctrica. La ley de Ohm trmica puede expresarse como sigue: Tj Ta = Pd x Rja [1] Que significa que la diferencia entre la temperatura de la juntura y la temperatura ambiente es igual a la potencia disipada en el dispositivo multiplicada por la resistencia trmica entre la juntura y el ambiente. En la formula [1] Rja corresponde a la suma aritmtica Rja = Rjc + Rcd + Rda es decir que la resistencia trmica entre la juntura y el ambiente es igual a la resistencia trmica entre la juntura y la carcaza mas la resistencia trmica entre la carcaza y el disipador, mas la resistencia trmica entre el disipador y el ambiente. En realidad nos interesa saber cual es la potencia mxima que puede disipar el dispositivo: por lo tanto despejamos el valor de la potencia disipada. Pd = (Tj Ta) / Rja = (Tj Ta) / (Rjc + Rcd + Rda) [2] Esta frmula nos indica que la potencia que puede disipar un dispositivo electrnico es funcin directa de la temperatura mxima adoptada para la juntura (150C como mximo) y de la mxima temperatura ambiente e inversa de la resistencia trmica desde la juntura al ambiente (recordando que la resistencia juntura ambiente est fijada por las tres resistencias indicadas anteriormente). En la figura 2 se muestra el llamado grafico de reduccin de potencia que como ya se ha mencionado lo suministra el fabricante, adems de las caractersticas trmicas.

Fig.2 Curva de reduccin de potencia Este grafico nos indica que si utilizamos un disipador infinito y la temperatura ambiente es de 25C la potencia que se puede disipar en este dispositiv en particular es de 115C. o A medida que el disipador va tornndose mas pequeo comienza a sobrecalentarse con respecto a la temperatura ambiente. Por ejemplo si con un determinado tamao de disipador la temperatura del mismo llega a 100C entonces solo se pueden disipar 55W. Y que importancia tiene esto, por ejemplo para el tcnico o el diseador de un amplificador de potencia de audio? Que simulando el amplificador y midiendo la potencia desarrollada en el/los transistor/es de salida y la temperatura de disipador del l dispositivo real, puede determinar si este es apropiado o si debe agrandarlo. Y esto tiene una importancia vital en el costo del amplificador porque el aluminio tiene un precio elevado. Las caractersticas de un disipador no solo dependen d su tamao: ey

y

Un determinado perfil de estruccin puede generar bajas resistencias trmicas disipador ambiente sin utilizar mucho aluminio. La resistencia trmica es en realidad funcin de la superficie del disipador y no de la masa de aluminio. Y la forma afecta enormemente a la relacin entre la masa y la superficie exterior. De all que los disipadores tengan aletas. Pero no es el nico factor a tener en cuenta ya que un disipador disipa no solo por conveccin. Tambin existe la radiacin trmica (ya qu el calor puede e considerarse como una onda electromagntica infrarroja) y el color de la superficie afecta la radiacin. De all que los disipadores siempre son de aluminio anodizado negro.

Cundo e debe u ar di ipador?Utilizando la formula [2] se puede conocer cual es la potencia mxima TJ que puede disipar nuestro dispositivo sin disipador. Cuando la potencia que va disipar el dispositivo es igual o mayor a sta, entonces es preciso utilizar un disipador. Por supuesto todo depende de la temperatura am biente mxima que se puede esperar en la zona donde esta instalado el transistor.

Para entender el problema lo mejor es dar un ejemplo. Empezaremos por buscar algunos datos en la hoja de caractersticas o especificacin del semiconductor. Por ejemplo:y

y y

La temperatura mxima de la unin que, depende del dispositivo Tj mxima, Pero recuerde que conviene trabajar con un margen de seguridad importante para alargar la vida del dispositivo, un margen de seguridad adecuado puede ser del 50%. La resistencia trmica entre la unin y el aire ambiente Rjc, que tambin depende del dispositivo. La resistencia trmica entre la cpsula y el disipador Rcd. Recordando que si se usa aislador de mica o plstico se debe incrementar en un 20% aun usando grasa siliconada.

La incgnita del problema es hallar el coeficiente trmico entre el disipador y el aire Rda. Si el dispositivo de nuestro ejemplo debe disipar 25W, los datos que hemos obtenido son:y y y y y

Pd = 25W TJ = 100 C TA = 25 C RJC = 1,52 c/ RCD = 0,12c/

Usaremos la formula [2] de la cual se despeja Rda : Rda = [(Tj-Ta)/Pd] -Rjc -Rcd Aplicado a nuestro dispositivo el resultado es: Rth = 1,36 C/W A continuacin solo basta con buscar en catlogos de fabricantes de disipadores algn disipador que tenga una resistencia trmica con el valor que acabamos de calcular. No se debe elegir nunca un disipador que tenga una resistencia trmica mayor, ya que esto implicara aumentar gravemente la temperatura de trabajo de la juntura, con consecuencias perjudiciales. Segn todo lo aprendido hasta ahora la simple medicin de la temperatura del disipador en el caso real es suficiente para calcular la temperatura de juntura. En el siguiente ejemplo, conociendo Rja, podemos calcular la temperatura aproximada que alcanzar la unin del componente Tj ; despejaremos Tj en la formula [1] de la siguiente forma: Tj = (Pd x Rja)+ Ta De aqu deducimos que cuanto mayor sea la Tj resultante del calculo con ms seguridad debe ponerse un disipador mas grande o con mejor geometra. Por tanto, deberemos calcular el disipador que ayude a evacuar el excedente de calor.

La especificacin proporcionara Rjc, tambin proporciona la Pd o potencia mxima disipable por el dispositivo, normalmente a 25C. La Rja resistencia unin ambiente se puede calcular como: Rja = Rjc + Rca En definitiva, lo que se pretende hallar es la Rda resistencia del disipador ambiente (en las hojas de datos se suele indicar como Rth). El resto de los parmetros se conoce por el tipo de dispositivo y el clculo de la potencia que deber disipar dicho componente; o mas modernamente una simulacin del circuito. As, despejando en la Ley de Ohm trmica, el valor de Rda tendremos que: Rda = Tj-Ta/Pda (Rjc + Rcd) El valor de Rcd suele estar entre 0,5 y 1,0 C/W, considerando que la cpsula est unida al disipador con una capa de silicona trmica y no con mica aislante, lo que aumentara la resistencia alrededor de 2 C/W. Resolvamos el siguiente ejercicio para fijar conceptos: considerando un dispositivo con cpsula TO-3, que disipe 30W en una temperatura ambiente mxima de 35 C. Cual sera la resistencia Rth que debe tener su disipador. La especificacin como la mostrada arriba, nos dice que la Rjc es de 1,52 C/W, con una Tc mxima de 200 C que por seguridad reduciremos a 150 C y una Rcd directa con grasa siliconada en 1 C/W. Por lo tanto ya podemos hacer el clculo pedido. Rda = (150-35)/30 (1,52 + 1) = 1,3 C/W [C/W] = [C]/[W] [C/W] [C/W] Ahora podemos calcular la cada de temperatura Tjc (unin carcaza), la Tcd cpsula disipador, la Tc cpsula y el Td disipador. La diferencia de temperatura Tjc juntura carcaza: Tj Ta = Pd x Rjc = 30 W x 1,52 C/W = 45,6 C La temperatura Tcd cpsula disipador, por deduccin ser: Tc Td = Pd x Rcd = 30 W x 1 C/W = 30 C La temperatura Tc de la carcaza del dispositivo: Tc = Tj 45 C = 105 C Y la temperatura Td del disipador: Td = Tc 30 C = 105 C 30 C = 75 C

Disipadores trmicos comerciales

En el mercado se presentan diferentes tipo de disipadores o radiadores comerciales en los que el fabricante nos indica el valor de la Rda resistencia disipador ambiente (Rth en las especificaciones), algunos para grandes potencias de 0,5 C/W. Uno de los fabricantes de disipadores mas grandes se llama Burr Brown y resume los diferentes tipos en su nota de aplicacin: sboa021.pdf que puede bajarse con un buscador como el Google. De este lugar se extrajo la tabla de la figura 3.

Fig.3 Tabla de resistencias trmicas En la tabla tenemos un ejemplo para una capsula TO-3 montada de dos modos diferentes (1) para usos de alta potencia y (2) para usos de baja potencia. El valor para RJC de 0.8C/W es para el disipador OPA512 que funciona en condiciones de seal de corriente alterna. Para condiciones de seal de corriente continua, RJC es de 1.4C/W. El circuito trmico, permite estimar con clculos simples la temperatura de juntura. La subida de temperaturas a travs de cada interfaz es igual a la potencia total disipada en los varios dispositivos, la resistencia trmica. Una estimacin de la temperatura de unin puede ser calculada usando el frmula siguiente: TJ = TA + PD * RJA en donde PD es la potencia disipada y RJA = RJC + RCD + RDA En cuanto a los trminos de la tabla las explicaciones son las siguientes:y y y y y y y

TJ (C) Temperatura mxima en la Unin (dato suministrado por el fabricante). TC (C) Temperatura en la carcasa que depende de la potencia que vaya a disipar el dispositivo, el tamao del disipador y la temperatura ambiente. TD (C) Temperatura del Disipador, depende de la temperatura ambiente y el valor de RDA (RD) TA (C) Temperatura ambiente PD (Watts) Potencia Disipada en semiconductor. RJC (C/Watt) Resistencia trmica entre la Unin y la carcasa RCD (C/Watt) Resistencia trmica entre Carcasa y Disipador (incluye el efecto de la mica y la grasa siliconada, si es que se utiliza).

y y

RDA (C/Watt) Resistencia trmica entre el Disipador y el Aire (Resistencia trmica del disipador RD) RJA (C/Watt) Resistencia trmica entre la Unin y el aire.

Los clculos asumen una temperatura ambiente de 25C en estos ejemplos. Cada componente de resistencia trmica produce una subida de temperaturas igual al producto de la potencia disipada y la resistencia trmica. La temperatura de la unin es igual al producto de potencia disipada y la resistencia trmica T = PD * JA

Disipadores especialesUn disipador clsico es una pieza de estruccin de aluminio o una chapa doblada de aluminio con las perforaciones de montaje para el transistor o circuito integrado. Pero actualmente el costo del aluminio invita a resolver el problema de la disipacin de calor por mtodos menos ortodoxos que a priori parecen caros pero terminan resultando mas econmicos que los disipadores clsicos cuando se trata de disipar grandes potencias. Una fuente inagotable de disipadores son los cooler para PC. All se pueden encontrar disipadores de menos de 0,5 C/W a precios realmente bajos debido a la enorme escala de fabricacin. Por supuesto que se debe realizar un circuito adecuado para evitar que una turbina rota queme un amplificador. Pero los motores de estas turbinas no tienen carbones ya que funcionan de un modo similar a los motores de impulsin directa de los videograbadores o de algunos DVD de marca. Adems tienen tres cables: masa 12V y salida del generador de frecuencia que se puede utilizar para reconocer que la turbina esta funcionando. Si esos pulsos desaparecen el amplificador debe apagarse porque se qued sin refrigeracin por aire forzado. En este curso veremos este tipo de detector cuando analicemos los servomecanismos de proteccin de un equipo. Todos sabemos que cuando circula una corriente elctrica por un circuito real se genera calor. Pero sabia que existen dispositivos que generan fro cuando son circulados por una corriente elctrica? Se llaman celdas de efecto Peltier y pueden trabajar perfectamente como disipadores de calor aunque su bajo rendimiento agranda excesivamente las fuentes de alimentacin. Peltier utiliz el efecto inverso descubierto por un fsico Alemn llamado Seebek: Tome dos alambres de distintos metales, de por ejemplo 1 metro de largo. Realice una soldadura de punto en cada punta del par. Ponga una de las puntas en una mezcla de agua y hielo para garantizar una temperatura de 0C. Coloque la otra punta en una pava de agua hirviendo (para garantizar una temperatura de 100 C). Cuando las soldaduras tomen la temperatura del medio en que estn sumergidas, por los alambres circulara una corriente proporcional a la diferencia de temperatura. Este efecto se utiliza en electrnica en las llamadas termocuplas que conectadas a un tester lo transforman en un termmetro. Ahora saque los alambres de las fuentes de fro y de calor y haga circular una corriente elctrica por el par. Una de las soldaduras se calentar y la otra se enfriar creando lo que se llama una bomba de calor. En la figura 4 se puede observar una celda comercial.

Fig.4 Celda Peltier Poco despus, el francs Jean Charles Peltier descubri en 1834 el fenmeno que puede denominarse inverso. Al pasar una corriente a travs de un circui o de dos metales t soldados, una de las soldaduras se enfra mientras la otra se calienta, actuando el sistema como una bomba de calor .

Medicin de la temperatura de junturaSuponga que tiene que medir la temperatura del chip de un transistor de potenciade un amplificador de simetra complementaria. No hay una forma directa de hacerlo porque el chip no es accesible. Pero si hay una indirecta. Una barrera de silicio tiene unos 600 mV a una temperatura de 20 C. Pero esa barrera no es fija; vara a razn de -2,5 mV/C aproximadamente. Si Ud. conmuta el circuito de base de y emisor de un transistor con dos llaves de modo de conectarlo en la disposicin normal o de conectarlo a un tester de aguja como para medir una barrera, podr medir la barrera en fro y luego en caliente y de la diferencia obtener la temperatura del cristal aplicando el coeficiente de -2,5 mV/C.

Fig.5 Circuito del amplificador modificado para medir sobrecalentamiento

Si analiza el circuito ver que es el mismo de siempre pero con el agregado de una llave inversora de dos vas que desconecta el transistor a medir y lo conecta como para medir la tensin de barrera o como est originalmente en el circuito. 1. La idea es medir la tensin de barrera en fro (llaves hacia arriba). 2. Luego llevar las llaves hacia abajo y llevar el amplificador a mxima potencia, dejarlo un par de horas funcionando con un tono de 1KHz de entrada al limite del recorte y volver a mover la llave para medir la tensin de barrera. Es decir que tenemos dos valores de tensin de barrera (tmelos en mV) el correspondiente a temperatura ambiente y el correspondiente a transistor a mxima potencia de salida. Haciendo la diferencia de ambos valores y dividiendo por 2,5 obtenemos la sobreelevacin de temperatura entre el cristal del transistor y la temperatura ambiente en C. Por ejemplo si la primer medicin es de 700 mV y la segunda es de 600 mV obtenemos 100 mV de diferencia que divididos por 2,5 da 40 C. Esto significa que cuando la temperatura ambiente en el lugar donde esta el disipador llegue por ejemplo a 60C (caso clsico en un automvil por ejemplo) la temperatura del cristal estar a 100C y el disipador es adecuado. Si diera un valor peligroso habra que colocar un disipador de menor resistencia trmica. Suponemos que el alumno tendr varias preguntas para hacer. La primera es la razn por la cual se agregaron los resistores R8, R7 y el diodo D1. R8 es el resistor que hace circular corriente por la juntura para medir la barrera. R7 y el diodo D1 estn para que el tester analgico no indique 6V al poner las llaves hacia abajo. Y porque un tester analgico y no el digital que es mas preciso? Porque no hay que