DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN AMPLIFICADOR DE POTENCIA

Amplificador de 10 Watts

I. OBJETIVOS

Conocer como se determinan la recta de carga para continua, la recta de carga para alterna y el punto Q para un circuito con configuración en emisor común.

Calcular el máximo pico a pico de la tensión alterna no recortada que es posible obtener con un amplificador en emisor determinado.

Describir las características de un amplificador, incluyendo clases de operación, tipos de acoplamiento y rango de frecuencias.

Conocer los factores que limitan la disipación máxima de potencia del transistor y las medidas que se pueden adoptar para mejorar dicha limitación.

El uso de OPAM para poder construir mejores amplificadores de potencia debido a la baja capacidad de los transistores para amplificar a grandes potencias.

II. INTRODUCCION TEORICA

Aquellos que, aparte de suministrar una mayor tensión, suministran también un mayor corriente (amplificación de tensión y amplificación de corriente y, por ende, amplificación de potencia)

Podemos, según esto, tener: amplificadores de tensión y amplificadores de potencia. En este tema únicamente vamos a entrar en los amplificadores de potencia, que son los que nos interesan para iniciar el campo de las R.F., el resto los damos por estudiados y aprendidos (porque son los montajes de amplificadores que se estudian en los principios básicos).

Tal y como decíamos en el punto anterior, este tipo de amplificadores (amplificadores de potencia, ya sean para B.F. o para R.F.), tienen la particularidad de que en su salida tenemos ganancia de tensión y de corriente con respecto a la señal de entrada. Este tipo de amplificadores pueden entregarnos en su salida toda la señal de entrada o una parte de la misma; atendiendo a esta característica, los amplificadores de potencia, podemos clasificarlos de la siguiente forma:

A. Amplificadores de clase A: un amplificador de potencia funciona en clase A cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante todo el período de la señal de entrada.

B. Amplificadores de clase B: un amplificador de potencia funciona en clase B cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante un semiperíodo de la señal de entrada.

C. Amplificadores de clase AB: son, por así decirlo, una mezcla de los dos anteriores, un amplificador de potencia funciona en clase AB cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante menos de un período y más de un semiperíodo de la señal de entrada.

D. Amplificadores de clase C: un amplificador de potencia funciona en clase C cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente de salida circule durante menos de un semiperíodo de la señal de entrada.

E. Amplificadores de clase D: un amplificador clase D está diseñado para operar con señales digitales o de tipo pulso. Mediante este tipo de circuito se logra una eficiencia cerca del 90%, lo que lo hace muy deseable para amplificadores de potencia.

AMPLIFICADOR DE POTENCIA (AUDIO)

1. Introducción: un amplificador de potencia es un componente en la cadena de procesadores de señal, cuya función es -como lo indica su denominación- aumentar el nivel de dicha señal. En un sistema de sonido, es el último componente activo en la cadena, ubicado justo antes de los parlantes.

Los amplificadores diseñados para uso profesional son de una apariencia sencilla cuando se los compara con la mayoría de los amplificadores hogareños de alta fidelidad. Incluso, en algunos sistemas pequeños, el amplificador puede estar dentro de la consola de mezcla, en estos casos se habla de "Mixers potenciados".

2. Ley de Ohm y ecuaciones asociadas: para comprender la función y aplicaciones de los amplificadores de potencia se requiere un conocimiento básico de potencia eléctrica y su relación con voltaje, resistencia ó impedancia y con corriente. Estas relaciones son cuantificadas a través de la Ley de Ohm, una de las principales ecuaciones en física eléctrica, y por ende, en audio.

a) Voltaje, Resistencia, Corriente: el circuito de la figura a continuación ilustra un voltaje continuo (E) desde una fuente (S), aplicado a través de una resistencia (R). La flecha (I) marca el camino seguido por la corriente. Dicha corriente viaja como una serie de electrones desde el punto de máximo voltaje (el terminal negativo de una batería) hasta el punto de mínimo voltaje potencial (el terminal positivo).

En circuitos de corriente alterna, debemos sustituir RESISTENCIA por IMPEDANCIA. Definimos "Impedancia" como la oposición total a la circulación de corriente alterna. El símbolo para Impedancia es "Z", y la unidad de medición es OHM. Entonces, para circuitos de corriente alterna, las fórmulas derivadas son:

En la figura a continuación vemos un diagrama típico de un circuito de Corriente Alterna.

b) Potencia Eléctrica: definimos como potencia eléctrica la energía utilizada para realizar la tarea cuando la corriente debe atravesar una determinada resistencia ó IMPEDANCIA. La ecuación para calcularla, aunque no está especificada directamente en la Ley de Ohm, sí está relacionada con ella y es como sigue:

c) Ley de Ohm: en este gráfico, resumimos las principales derivaciones de la Ley de Ohm. Los cuatro parámetros principales ocupan una cuarta parte de este círculo y nos ilustran diversas formas de calcularlos, conociendo los restantes.

d) Potencia eléctrica y ganancia de Amplificador: de acuerdo a lo ya definido, la función de un amplificador de audio es elevar la potencia de una señal de audio. La figura que aparece a continuación es una representación simbólica de una conexión de audio entre una fuente de sonido, un amplificador y un parlante.

Si seguimos el razonamiento especificado anteriormente, ésta sería la forma:

E1 = 1 Volt. RMS

Z1 = 10 kOhms (10,000 Ohms).

De aquí, la potencia de la señal de línea se deduce a través de la fórmula: P = E12 / 10,000.

= 12 / 10,000

= 0.0001 watt.

3. Potencia de amplificador: específica el nivel de potencia que un modelo determinado es capaz de entregar, con una determinada impedancia, un nivel de distorsión específico y sobre un rango de frecuencias determinado. A continuación presentamos una especificación tipo:

Debemos leer con cuidado la especificación referida a potencia si esperamos evitar malas interpretaciones. Una especificación completa debería incluir todos los parámetros especificados anteriormente.

Otro punto importante a verificar es que la especificación de potencia sea en PROMEDIO, no en PICOS. Cuando la especificación viene en esta última opción, generalmente es un síntoma de que el transformador está operando muy cerca de su límite. Por esta razón, si bien puede ser un buen equipo para aplicaciones en audio hogareño, no es recomendable para uso en sistemas profesionales.

a) Condiciones de ambiente predeterminadas: es posible que en algún equipo venga una sigla "FTC". Esto es un "standard" de verificación, diseñada años atrás por un ente verificador norteamericano, en respuesta a la enorme cantidad de modelos, fabricantes, y maneras de presentar especificaciones. Hay un detalle en términos de condiciones en las cuales debe realizarse la verificación.

b) Ancho de banda: en un amplificador, es la habilidad que éste posee para producir alto nivel de potencia sobre un rango de frecuencia amplio. De esta manera, se cuantifica

el rango de frecuencias fuera del cual, el equipo revisado cae en más del 50% en su potencia

La figura semeja una curva de respuesta en frecuencia. En realidad, no es así. Únicamente se cuantifican los puntos por fuera de los cuales el rendimiento de este equipo cae más de 3 dB.

c) Operación en modo PUENTE (Bridged): muchos amplificadores presentan una especificación similar a la que sigue:

La especificación final se refiere a la capacidad de un amplificador en modo PUENTE. Este modo puede ser seleccionado generalmente en el panel de control del equipo y normalmente, requiere una conexión especial. Cuando un amplificador es "puenteado", ambos canales reciben la misma señal (generalmente desde su entrada izquierda), pero la polaridad de un canal (normalmente el derecho) es revertida en relación al otro. Las señales de salida de un amplificador en modo puente son graficadas en la figura que sigue:

Un amplificador puenteado es conectado normalmente como lo muestra la figura a continuación. Generalmente, los parlantes se conectan a los dos terminales positivos (uno de cada canal). La salida izquierda es normalmente la conexión positiva y la salida derecha es la conexión negativa.

4. Efecto "CLIPPING":

En la figura (A), vemos la salida del amplificador inmediatamente antes del punto de saturación; la forma de onda es una réplica exacta de la entrada al amplificador.

En la figura (B), levantamos un poco el nivel de entrada y ya puede verse el resultado de la saturación. Los segmentos de onda sonora que exceden la capacidad en voltaje del amplificador son cortados. Como el amplificador no puede producir señal con voltaje superior, simplemente mantiene su nivel máximo de salida hasta que la señal de entrada baja su nivel a uno que el amplificador puede manejar. Como consecuencia, la forma de onda es modificada en sus puntos límites.

En (C), se puede ver lo que sucede cuando levantamos aún más el nivel de entrada en un amplificador. La salida no se incrementa; simplemente aumenta el porcentaje de señales eliminadas.

"Clipping" tiene dos efectos básicos: por un lado aumenta en gran manera la distorsión, lo que resulta en la generación de componentes sonoros de alta frecuencia que cambian el sonido, poniendo además en riesgo los reproductores de agudos (drivers). Por otro lado, aumenta en gran manera el promedio de potencia aplicado a la carga lo que se traduce en recalentamiento de bobinas en cualquier driver.

III. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR

El siguiente circuito que presentamos en esta ocasión es un práctico amplificador de audio construido por un circuito integrado (OPAM) el cual permite amplificar las señales provenientes de cualquier fuente de audio con el fin de que puedan ser escuchadas con una buena intensidad.

A continuación mencionaremos la lista de Materiales que usaremos para este amplificador:

Resistencias 220Ω, 2.2 Ω, 1 Ω (1/4Watt)

Condensadores Electrolíticos 10µF/10v, 470µF/10V, 100µF/25v, 1000µF/16V

2 Condensadores tipo lenteja 0.1 µF

Potenciómetro de 50KΩ

C.I TDA 2002

Parlante

IV. DIAGRAMA ESQUEMATICO

El proyecto consiste en el diseño de un amplificador monofásico con una potencia de salida de 10 Watts teniendo como esquema la figura anterior. Funciona con tensión de 12 voltios. La ganancia del circuito depende de la relación entre los valores de las resistencias R2 y R3. Tanto en las salidas y entradas están desacopladas en continua por un condensador.

El Cable de entrada de señal debe ser apantallado y para fuente de señal que no tenga regulación de volumen, se le incorporo un potenciómetro para realizar esta función, para bajar o subir el volumen.

El componente principal del circuito es un circuito integrado amplificador TDA2002; la señal del audio entra al circuito integrado por el pin 1(entrada no inversora) y salida amplificada por el Pin 4, la alimentación positiva de la fuente llega a través del Pin 5 mientras que el Pin 3 estará a tierra. Los condensadores C6 y las resistencias R1 y R2 conectadas al Pin 2 (entrada inversora) establecen los niveles de polarización de corriente continua y realimentación del circuito.

Los condensadores C5 y C3 sirven de acople, mientras los condensadores C1 y C2 sirven de condensadores de filtro de la Fuente. Mientras que el condensador C6 y R3 sirven de protección a la salida.

Cuadros de Voltaje en DC (en el operacional)

V1 -0.358 vV2 2 mvV3 0 vV4 0 vV5 12 v

Cuadros de Voltaje en AC (Respuestas en Frecuencia)

Frecuencia Vi(v.PP) Vo(v.PP)1 Hz 0.1 12 Hz 0.2 25 Hz 0.6 6

10 Hz 0.8 820 Hz 1 1050 Hz 1 10

100 Hz 1 10200 Hz 1 10500 Hz 1 101Khz 1 102 Khz 1 105 Khz 1 10

10 Khz 1 1020 Khz 1 1050 Khz 1 10

100 Khz 1 10

200 Khz 1 6500 Khz 1 41 Mhz 1 22 Mhz 1 0.5

V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El uso del circuito integrado amplificador TDA2002 presenta gran ventaja sobre los circuitos ensamblados con componentes discretos como transistores, resistencias y condensadores.

Este circuito trabajara a una frecuencia mayor a 10 Hz y menor a los 100 Hz donde tendrá una frecuencia media.

Este Amplificador tiene una ganancia de voltaje de 10 y en decibeles 20 db.

VI. BIBLIOGRAFIA

Principios de electrónica (6ta edición): Albert Paul - Malvino Electrónica, Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos (8va Edición):

Boylestad - Nashelsky Diseño electrónico : J.C. Savant http://www.unicrom.com/Tel_RF4.asp CURSO INTENSIVO DE SONIDO – EMSIA - EXCENCAP