domingo, 10 de octubre de 2010

Fórmulas para calcular ganancia an las 3 configuraciones del transistor , y algunos ejemplos de diagramas de amplificadores de audio.

“Algunos diagramas de circuitos amplificadores de audio”

Amplificador de 90W
 }Utilizando solo cuatro transistores en configuración cuasi-complementaria este amplificador puede entregar 90W de potencia sobre una carga de 4 ohms y a un costo realmente bajo (tan sólo un dolar por transistor).
Como se ve en el diagrama no hay componentes caros en este circuito, salvo el transformador de la fuente y el parlante. La etapa de entrada esta formada por dos drivers de corriente que excitan directamente a los pares de transistores de la etapa de salida. Estos últimos (los 2N3055) deben ser montados sobre generosos disipadores de calor a fin de preservar la vida útil de dichos dispositivos. Al ser alimentado por una fuente simple (de 80Vcc) a la salida de la etapa final, antes del parlante, se debe colocar un capacitor que bloquee el paso a la corriente continua y solo deje pasar la señal de audio. La fuente debe ser capas de proporcionar 1.5A de corriente por canal de audio. De esta forma una potencia estéreo requerirá de 3A para funcionar y una de cuatro canales requerirá 6A.


Amplificador de 55w
Hasta ahora todos los circuitos de potencia para auto requerían de una fuente elevadora de tensión puesto que estos equipos necesitaban mas de 40 voltios. Este circuito rompe con esa tradición haciendo posible fabricar un amplificador de audio de buena calidad para el coche con solo un circuito integrado por canal de audio. De esta forma para hacer una unidad estéreo bastará con dos integrados y para hacerla cuadrafónica habrá que usar cuatro.
Como se ve en el diagrama el chip tiene todo lo necesario en su cápsula por lo que solo queda colocar los capacitores y resistores de filtrado y control. Ya que el sistema es del tipo puente los dos terminales de parlante son amplificados, por lo que no se debe colocar ninguno de ellos a masa. De todas formas el circuito está protegido contra costos en la salida, además de una larga lista de otras protecciones. Está configurado en clase H. Para mas información acerca de este chip conectarse con la página de Philips electronics, cuyo link está disponible en otra sección de este portal.
La salida de audio no requiere capacitores de bloqueo de DC así como conjuntos RL típicos en estos proyectos.
Es posible agregar una función de MUTE la cual omitimos en el diagrama para simplificarlo al máximo. De querer hacerlo hay que colocar un resistor de 1K entre masa y el terminal 4, dejando los componentes que están tal cual. Así el circuito entra en estado mudo. Quitando dicho resistor el circuito vuelve a operar normalmente. Consultar la hoja de especificaciones para mas información al respecto.
Como en todos estos proyectos los disipadores de calor son extremadamente críticos. Una disipación deficiente hará que el circuito se recaliente y esto causará que el sistema se apague. No se va a arruinar porque el chip incluye protección térmica interna, pero se apagará haciendo que deje de amplificar. Un disipador y ventilador de microprocesadores Slot-1 ó Slot-A (como el AMD K7 ó el Intel Pentium III) es adecuado, siempre que se le de marcha al motor del ventilador. En el caso de utilizar este tipo de refrigeración forzada es importante diseñar un buen canal de aire puesto que de nada sirve el ventilador si no tiene entrada y salida de aire fresco. Otra forma de conseguir buenos disipadores es haciendo que los laterales del gabinete sean los mismos disipadores. En este caso el tamaño será adecuado y, además, estarán al exterior logrando recibir aire fresco permanentemente.
Cabe destacar que este pequeño "come" 10 amperios en máxima potencia por lo que los cables de alimentación deben ser de adecuada sección. Caso contrario se podrían cortar causando cortocircuitos en el circuito eléctrico del vehículo. Si va a montar cuatro de estos módulos tenga en cuenta lo siguiente: Un vehículo mediano dispone de una batería 63 amperios. Este circuito multiplicado por cuatro consume 40 amperios. Hay que hacer una simple división para determinar que es capaz de descargar la batería del auto en tan solo dos horas de uso a máxima potencia. Por ello tendrá que tener cuidados especiales como ver en donde se conecta la unidad. Otro factor importante es el sistema de encendido e inyección de combustible. Estos circuitos suelen ser algo sensibles a las caídas de tensión por lo que este amplificador puede perjudicar su funcionamiento. Una alternativa (muy común en estos casos) es colocar una segunda batería alojada en el baúl del vehículo, la cual se carga a través de un diodo desde el regulador de tensión del alternador. Aún el mas experto de los ingenieros debe darse una vuelta por una casa de instalación de este tipo de equipos ya que "al mejor cazador se le escapa una liebre" y un errorcito en la instalación puede dejarlo de a pié.
Ni piense en conectar el cable de alimentación del amplificador a la llave de encendido del vehículo directamente. Ni la llave de un camión de gran porte soportaría la corriente. La forma de conectarlo es simple, aunque requiere de un relay. Los contactos de la bobina del relay van en paralelo con la radio o pasa cintas actual del coche, mientras que los contactos de la llave mecánica de ese relay van en serie con el cable (grueso) que trae alimentación al amplificador desde la batería. De esta forma el relay hace la fuerza bruta y la llave de encendido sólo debe mover la bobina del electroimán. El relay debe ser capaz de manejar hasta 50A. Es posible conseguir uno así en las casas de repuestos para auto, pidiendo el que conmuta la alimentación general del motor o el que acciona el motor de arranque. Los que se emplean en las luces son demasiado pequeños.
Otro punto importante de la instalación es la señal de entrada. Si el equipo de cintas que tiene instalado en el coche no dispone de salida de línea deberá hacer una adaptación de impedancia y una reducción de potencia para poder conectar las salidas de parlantes de ese a las entradas de audio del amplificador. Una buena forma es comprar un ecualizador pasivo los cuales modifican el tono de cada banda a ecualizar "atenuando" las otras. Es importante que ese ecualizador no tenga salida amplificada, porque estaríamos en el punto de largada nuevamente. Aunque hoy día la mayoría de los equipos de CD para auto disponen de salida sin amplificar. Otra forma muy común es colocar transformadores de salida de audio con el bobinado de 8 ohms conectado a la salida del estéreo y el bobinado de 2000 ohms conectado a la entrada del amplificador. En este caso es aconsejable dotar al amplificador de un potenciómetro para ajustar el "tope" de entrada y prevenir sobre excitación.
Es necesario aclarar que si bien 1% de distorsión armónica total parece ser mucho para estar en un coche es algo bajo, dado que las unidades que se comercializan normalmente tienen índices del 3% al 5%. Sólo que al igual que hacen con la potencia mienten acerca de ese valor.
Dado que el chip dispone de un circuito de protección contra cortos que desconecta la salida cuando la impedancia de la carga cae por debajo de 0.5 ohms colocar parlantes de 2 ohms (o 2 de 4 ohms en paralelo) haría que la potencia lograda suba a 75 vatios, pero también subirá la distorsión a casi el 10%. Esto no es aceptable para sonido musical, pero para propaganda o publicidad en la vía pública es idóneo. Como es lógico también subirá la demanda de corriente.

Amplificador de Audio de 8w
No podía faltar en pablin el clásico amplificador de audio de 8w con TDA2002. Este amplificador que durante años predomino en los auto radios y demás montajes para coche.
El diagrama del circuito nos muestra que la señal de entrada es bloqueada en DC a través del capacitor de 1µF, luego ingresa al amplificador operacional por la entrada no inversora. De la salida se toma una parte de la señal para realimentar el sistema por medio de la entrada inversora. La señal completa de la salida se le quita la continua por medio del capacitor de 1000µF y se aplica al parlante, cuya impedancia debe ser de 4 ohms. De colocar un parlante de 8 ohms la potencia total obtenida será de 4 vatios.
El circuito se alimenta con 12V y necesita una corriente de 1A a máxima potencia.
Esta es la máscara negativa del circuito impreso para hacerlo con fotoresist.
Y esta es la posición de cada componente sobre la placa.
 Este impreso puede ser hecho sobre placa de fenólico sin inconvenientes. También puede optar por armarlo sobre una placa de circuito impreso universal del tipo islas con paso de 5mm.
AMPLIFICADOR  50W
Diseñamos este circuito para ser empleado como etapa de potencia cuadrafónica de una computadora equipada con una placa de sonido Diamond MonsterSound MX300. Así obtuvimos una potencia  de salida global de 200w con una distorsión armónica total inferior al 0.01%. Algo calificado como High-End Audio.
DESCRIPCION:El componente principal (y casi el único) de este sistema es un amplificador operacional integrado de la firma National Semiconductor, el LM3886TF. No hace falta ningún otro componente activo, sólo el integrado y un puñado de componentes pasivos tales como resistencias y capacitores
La señal de audio proveniente de la placa de sonido entra al amplificador operacional por su pin 10 (entrada no inversora). Un capacitor de 1µF deja pasar sólo la señal de audio, bloqueando la componente DC que pudiese existir. Un potenciómetro de 10K (opcional) permite ajustar el límite de entrada. A la salida una resistencia de 20K realiza la realimentación por medio de la entrada inversora mientras que un conjunto RL acopla la salida de potencia con el parlante. Este conjunto consta de una bobina de 10 a 15 vueltas de alambre 1.5mm sobre una resistencia de 10 ohms / 2 watts. Dos electrolíticos desacoplan la fuente de alimentación y un jumper controla la función Mute (enmudecer) la cual se activa abriendo el interruptor. El capacitor de 100µF junto con la resistencia de 47K hacen las veces de retardo de entrada, evitando ruidos al conectarse la alimentación.
FUENTE DE PODER:La fuente de alimentación debe proporcionar 70VCC simétricos (35+35) con una corriente de 6A.
Los diodos son de 100V / 8A y pueden ser remplazados por un puente rectificador. Los capacitores electrolíticos son de 10000µF / 50V. El transformador es de 220V en su primario y 50V en su secundario con punto medio y 6A de corriente para una configuración cuadrafónica.

DISIPADOR DE CALOR:
He aquí una solución económica a un gran problema. En vez de colocar grandes disipadores de aluminio hemos instalado en cada chip un disipador de los que se usaban en los microprocesadores Pentium de computadoras. Sí, esos pequeños cubos de metal de 5cm x 5cm que traían un mini ventilador atornillado.
En realidad el tamaño de disipador no es adecuado, pero hemos detectado que, con el ventilador funcionando y a máxima potencia de salida el amplificador no llega siquiera a calentar. Hemos, incluso, dejado el equipo funcionando a pleno durante un fin de semana completo sin que subiese la temperatura. Para alimentar los motores de los ventiladores bastará con colgarse a las líneas principales de alimentación limitando la corriente (provocando una caída de tensión) por medio de resistores de 100 ohms y 5 watts de potencia. Cada ventilador debe tener su propio resistor. Recomendamos colgar dos ventiladores al positivo (y masa) y dos ventiladores al negativo (y masa). Así la carga es equitativa para ambas fases.

“Transistor”


El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos móviles, etc.

El Transistor Bipolar Como Amplificador
El comportamiento del transistor se puede ver como dos diodos (Modelo de Ebers-Moll), uno entre base y emisor, polarizado en directo y otro diodo entre base y colector, polarizado en inverso. Esto quiere decir que entre base y emisor tendremos una tensión igual a la tensión directa de un diodo, es decir 0,6 a 0,8 V para un transistor de silicio y unos 0,4 para el germanio.
Pero la gracia del dispositivo es que en el colector tendremos una corriente proporcional a la corriente de base: IC = β IB, es decir, ganancia de corriente cuando β>1. Para transistores normales de señal, β varía entre 100 y 300.
Entonces, existen tres configuraciones para el amplificador:
Emisor común

La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el colector. El emisor se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia tanto de tensión como de corriente y alta impedancia de entrada. En caso de tener resistencia de emisor, RE > 50 Ω, y para frecuencias bajas, la ganancia en tensión se aproxima bastante bien por la siguiente expresión:  ; y la impedancia de salida, por RC
Como la base está conectada al emisor por un diodo en directo, entre ellos podemos suponer una tensión constante, Vg. También supondremos que β es constante. Entonces tenemos que la tensión de emisor es: VE = VBVg
Y la corriente de emisor: .
La corriente de emisor es igual a la de colector más la de base: . Despejando
La tensión de salida, que es la de colector se calcula como:
Como β >> 1, se puede aproximar: y, entonces,
Que podemos escribir como
Vemos que la parte es constante (no depende de la señal de entrada), y la parte nos da la señal de salida. El signo negativo indica que la señal de salida está desfasada 180º respecto a la de entrada.
Finalmente, la ganancia queda:
La corriente de entrada, , que aproximamos por .
Suponiendo que VB>>Vg, podemos escribir:
y la impedancia de entrada:
Para tener en cuenta la influencia de frecuencia se deben utilizar modelos de transistor más elaborados. Es muy frecuente usar el modelo en pi.
Base Común

La señal se aplica al emisor del transistor y se extrae por el colector. la base se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia sólo de tensión. La impedancia de entrada es baja y la ganancia de corriente algo menor que uno, debido a que parte de la corriente de emisor sale por la base. Si añadimos una resistencia de emisor, que puede ser la propia impedancia de salida de la fuente de señal, un análisis similar al realizado en el caso de emisor común, nos da la ganancia aproximada siguiente: .
La base común se suele utilizar para adaptar fuentes de señal de baja impedancia de salida como, por ejemplo, micrófonos dinámicos.

Colector Común


La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. El colector se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia de corriente, pero no de tensión que es ligeramente inferior a la unidad. Esta configuración multiplica la impedancia de salida por 1/β.




 

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