Diseño de Un Amplificador de Potencia a 2watts

1AMPLIFICADOR DE 10W S. E. P. D.G.E.S.T. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA-ELECTRÓNICA (ÁREA ELECTRÓNICA) LABORATORIO DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA II AMPLIFICADOR 2 WATTS. EQUIPO No.8 INTEGRANTES: GUZMAN NAJERA MAYRA ROMAN ROMAN UZIEL. CORTES VASQUEZ PEDRO. MURGA MEDEL EDUARDO. _________________________________________ Vo. Bo. M. C. Fernando Vera Monterrosas DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE POTENCIA A 2W 2 AMPLIFICADOR DE 10W Objetivo: diseñar un amplificador que sea capaz de amplificar a 2W en bocinas de 4ohms con un voltaje Vcc de 11.V Existen muchas clases de amplificadores y sus aplicaciones son múltiples, entre ellas se encuentran los de audio, los de señales de televisión, los de potencias utilizadas para controlar motores, etc. El que presentamos en este proyecto es un pequeño amplificador de audio con potencia de salida máxima de 2 watts (el vatio o W es una medida de potencia y está directamente relacionada con la corriente y el voltaje). Marco teórico: Los amplificadores de salida, también denominados de potencia, tienen como misión entregar a la carga una señal de potencia grande con la mínima distorsión y el máximo rendimiento. La impedancia de salida ha de ser pequeña puesto que la carga suele ser un altavoz (4 u 8 ohms); así pues, estos amplificadores suelen ser en colector común ya que su ganancia de Corriente es muy elevada y esto hace que la intensidad de la salida sea grande, lo suficiente como para mover la bobina del altavoz. Los amplificadores de potencia de audio proporcionan alta corriente a una carga de salida, que corresponde a un parlante o caja acústica. Se denomina amplificador de Potencia a aquellos circuitos capaces de entregar más de 1 Watts. El concepto simétrico corresponde a una distribución simétrica de voltajes en los transistores Q1 y Q2. En concepto complementario se usa por el uso de transistores NPN y PNP. Como los altavoces tienen impedancias de 2,4,6 y 8 ohm, los amplificadores de potencia deben compensar esta baja impedancia entregando una alta corriente de salida. Por esta razón, los circuitos en configuraciones Clase A, emisor, colector o base común, no son utilizados, ya que en las salidas deben tener altas resistencias, que impediría la circulación de alta corriente sobre un altavoz. Estos amplificadores se denominan complementarios, pues utilizan pares de transistores similares, pero de tipos opuestos, NPN y PNP. A su vez son denominados simétricos, pues cada transistor amplifica la mitad de la señal de entrada, y posee una polarización DC que también se reparte en forma simétrica como se muestra en la figura 1. 3 AMPLIFICADOR DE 10W La eficiencia de potencia de un amplificador clase AB es alta, razón por la cual se utiliza masivamente en los diseños profesionales. La eficiencia está definida como la relación de la potencia alterna que se obtiene a la salida (en valor RMS) con respecto a la potencia continua suministrada por las fuentes de alimentación, esto es: | | | | 100 % × = × × Icc Vcc Io Vo RMS RMS q Donde Vo e Io corresponden a los parámetros en el altavoz, y Vcc e Icc la energía consumida por la fuente de poder. La diferencia con el circuito clase B, es que proporciona una señal de salida que varía a lo largo de la mitad del ciclo de la señal de entrada, es decir 180º de la señal. El punto de polarización Q para la clase B está, por tanto, a O V, variando entonces la salida desde este punto de polarización durante medio ciclo (figura 1.1). Figura 1.1.- Punto Q de amplificador clase B Distorsión de cruce por cero: Uno de los grandes problemas que se suceden con respecto a los amplificadores en simetría complementaria, corresponde a la distorsión que se da cuando la señal alterna de entrada tiene un valor muy cercano a cero volts, que ocurre en la Clase B. En efecto, para que un transistor entre en conducción se necesita que el voltaje entre base y emisor sea de un valor aproximado a ± 0,6 volts dependiendo si el transistor es NPN o PNP respectivamente (figura 2). 4 AMPLIFICADOR DE 10W Figura 2. Como este voltaje depende de la señal de entrada Vi, quiere decir que durante todo el tiempo en que la señal Vi tiene un valor menor a 0,6 volt los transistores Q1 y Q2 estarán en la zona de corte, generando en la salida un voltaje de cero volts, y produciendo una distorsión en el cruce por cero. Para evitar esta situación, se genera una tensión continua en la base de cada transistor, con diodos, transistores y potenciómetros, de manera tal, que cada transistor este en conducción, pero muy cerca del corte. Se dice entonces, que los transistores se encuentran en clase AB, esto significa que cada transistor conduce un ángulo mayor que 180º pero menor que 360º. Algunos circuitos poseen un ajuste de la distorsión de cruce, tal como se indica en la figura. R1 es un potenciómetro que ajusta la polarización de las bases de Q1 y Q2. También se les denomina Amplificadores en Contrafase, por esta razón. Calculo de la potencia y rendimiento en un amplificador La potencia de consumo de la fuente continua Ps(DC) se puede calcular como Ps(DC) = VCC x IDC, donde IDC corresponde a la corriente continua o promedio que se consuma de la fuente de alimentación, y Vcc al voltaje de alimentación del circuito. Como se observa en la figura #1, un amplificador entrega una señal equivalente a 180º, por tanto, para generar una señal completa se necesitan dos, por tal razón la corriente promedio será: t Ip DC I = Donde Ip corresponde a la corriente Peak o máxima de salida. A su vez, la potencia peak corresponde a la misma que llega al altavoz RL Vcc Ipeak RL Vp 2 / = = - V e e + V c c v i v o R L Q 1 Q 2 Z o n a m u e r t a v i v o R L v i Q 3 Q 2 R q R c + V c c Q 1 v o R 1 R 2 R b 5 AMPLIFICADOR DE 10W Luego, la potencia continua de consumo entregada por la fuente será: ) ( ) ( t Ip DC S Vcc P × = = La potencia alterna de salida (en la carga) se puede calcular como: RL V RL V RL V ac cc Lp RMS L P 8 2 ) ( 0 2 2 2 ) ( = = = Donde VL designa el voltaje peak en la carga RL, o parlante. De manera tal que la eficiencia será: | | | | | | | | 100 % 100 100 % 2 1 2 2 ) ) ( ) ( 0 8 / 8 / × = ÷ × ¬ × = RL Vcc CC L Ip CC L cc dc S ac V R Vcc V R V P P t t q q Esto quiere decir, la eficiencia máxima se dará cuando el voltaje máximo sobre la carga VL(p) sea igual a Vcc, siempre que el circuito posea alimentación única. Simplificando la expresión, se concluye que la eficiencia ideal será: q° = (t/4)100 q° = 78,5%. Los valores reales de eficiencia para una potencia, van de 50 % a 65 %. POTENCIA PMPO (Peak Music Power Output) 6 AMPLIFICADOR DE 10W Si consideramos una señal senoidal, sobre un altavoz podemos efectuar el siguiente razonamiento: Prms = Vrms x Irms = (Vpeak √2) x (Ipeak/√2) = (Vpp/2√2 x Ipp/2√2) = Ppp/8 ≈ PMPO/8 Si la Potencia Peak to peak Ppp la aproximamos a aquellos niveles transientes máximos sobre el altavoz, tendremos una aproximación a este parámetro comercial PMPO, pues se trata de obtener, precisamente, dichos niveles máximos a fin de hacer más atractivo un equipo. Al observar la relación Prms = PMPO/8, tendremos que para un equipo estereofónico se cumplirá la relación Prms ≈ PMPO/16. Los amplificadores de salida, también denominados de potencia, tienen como misión entregar a la carga una señal de potencia grande con la mínima distorsión y el máximo rendimiento. La impedancia de salida ha de ser pequeña puesto que la carga suele ser un altavoz de 1.2 a 8 ohm; así pues, estos amplificadores suelen ser en colector común ya que su ganancia de Corriente es muy elevada y esto hace que la intensidad de la salida sea grande, lo suficiente como para mover la bobina del altavoz. Existen diversos montajes tales como amplificador en emisor común con acoplo de salida mediante transformador, amplificador con salida en push-pull con transformador y amplificador con salida en simetría complementaria con etapa driver, en el que nos centraremos a continuación. Como en una etapa complementaria los transistores están en configuración colector común, tenemos, como aproximación: V i ≈ V o Es decir: Pi / Ii = Po / Io Po / Pi = Io / Ii ≈ Ic / Ib = hfe La ganancia de amplificación de la etapa complementaria es aproximada a la relación de ganancia hfe, por lo cual, esta etapa debe tener a la entrada una potencia previa que impulse a la simetría complementaria a su máxima potencia. Por esta razón , en algunos casos, los generadores de audio, personal o Line Out, conectados directamente a una simetría, no son capaces de generar la máxima potencia, pues carecen de la Pi necesaria. Por esta razón existe la etapa driver, emisor común, que entrega la potencia requerida a la entrada de la simetría. 7 AMPLIFICADOR DE 10W Existen diversos montajes tales como amplificador en emisor común con acoplo de salida mediante transformador, amplificador con salida en push-pull y amplificador con salida en simetría complementaria, en el que nos centraremos a continuación. El circuito consta de dos transistores de características idénticas pero de diferente tipo, uno PNP y otro NPN (de aquí su nombre de "complementario"). En la figura se ilustra el par Darlington. Dicho par es una configuración compuesta de dos transistores en cascada. Esta combinación de transistores posee algunas características deseables que la hacen más útil que un solo transistor en ciertas aplicaciones. Por ejemplo, el circuito tiene alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida y alta ganancia de corriente. Una desventaja del par Darlington es que la corriente de fuga del primer transistor es amplificada por el segundo (figura 5). Figura 5. Si los dos transistores se conectan de la manera mostrada en la figura, los betas de los dos transistores se multiplican, formando una combinación que parece un solo transistor de | alta. La impedancia de entrada de ambos transistores no es la misma, ya que el punto de operación del primer transistor es diferente del segundo. Esto se debe a que la carga equivalente en el primer transistor es | 2 (R E || R L ), mientras que la carga en el segundo transistor es sólo R E || R L . En la práctica, el primer transistor puede tener un manejo de potencia menor que el segundo. La resistencia de entrada del segundo transistor constituye la carga del emisor del primer transistor (figura 6). 8 AMPLIFICADOR DE 10W Figura 6. Darlington en emisor común (EC) Aunque normalmente se considera que éste es un amplificador de ganancia de tensión, dicho amplificador puede proporcionar altas ganancias de corriente debido a su resistencia de entrada extremadamente grande. Varias configuraciones de amplificadores con la resistencia de emisor en cortocircuito tienen excelentes ganancias de tensión, pero baja resistencia de entrada, lo que redunda en una baja ganancia de corriente. Sin embargo, este amplificador proporciona no sólo buena ganancia de tensión, sino también excelente ganancia de corriente. Algunos fabricantes empaquetan el par Darlington en un solo paquete con tres terminales externas únicamente. Los pares Darlington empacados en un circuito integrado están disponibles con betas de hasta 30.000. El análisis en continua de un par Darlington se puede realizar resolviendo el reparto de las corrientes y tensiones entre ambos transistores. Desde el punto de vista externo, un transistor Darlington tiene unas corrientes de entrada IB, IC e IE (IE=IB+IC) y la tensión entre la base y el emisor es de 2VBE. Si Q1 y Q2 se encuentran en la región lineal, la relación entre ambas corrientes, es decir, la hFE del transistor, se puede expresar en función de hFE1 y hFE2. Para ello, hay que resolver el siguiente sistema de ecuaciones: Modelo a pequeña señal Darlington El análisis de pequeña señal de un par Darlington se puede realizar a partir de los modelos de pequeña señal de los transistores Q1 y Q2. En la figura 2.15 se indica el circuito en 9 AMPLIFICADOR DE 10W parámetros h obtenido al sustituir cada uno de los transistores por su modelo de pequeña señal; para simplificar el análisis y los cálculos se han despreciado los efectos de los parámetros hre y el hoe1. Este modelo completo resulta demasiado complicado incluso con las aproximaciones realizadas, para usarlo en el análisis de amplificadores. Por ello, se obtiene un modelo equivalente simplificado en parámetros {H} obtenido a partir del modelo completo (figura 7). Figura 7. Modelo de pequeña señal de un par Darlington. Configuración Simetría Complementaria con par Darlington Figura 8. Configuración de simetría complementaria con par Darlington. Se puede diseñar un amplificador de alta ganancia de corriente utilizando la conexión de un par Darlington y transistores. Esta configuración se conoce como amplificador clase AB cuasi complementario con par Darlington, e incorpora un par Darlington con transistores NPN y un par retroalimentado consistente en un transistor NPN y uno PNP. Los transistores Q2 y Q4 son transistores NPN similares capaces de manejar alta potencia. Los transistores Q1 y Q3 son complementarios y no necesitan manejar alta potencia. La carga efectiva para Q1 y Q3 es |RL (donde | es la ganancia de corriente del transistor de salida), que es grande comparada con RL. Por tanto, el punto de operación para estos transistores es mucho menor en la línea de carga que el de los transistores Q2 y Q4. La señal de entrada positiva provoca que Q1 conduzca, pero Q3 permanece en corte ya que se trata de un transistor PNP. Conforme la señal de entrada se hace negativa, Q1 se corta y Q3 conduce. Así, el circuito de entrada opera como el amplificador de potencia de simetría complementaria analizado antes. El resistor se puede ajustar para minimizar la distorsión de cruce por cero permitiendo que conduzcan tanto Q1 como Q2 cuando la señal de entrada está cercana a cero. 10 AMPLIFICADOR DE 10W CALCULOS PARA EL DISEÑO. Este circuito posee varias características importantes: *una de ellas es que se puede alimentar con una fuente simple de + 12vDc, mientras que la mayoría de amplificadores comunes utilizan fuente positiva y negativa. *la otra es que está construido con transistores, lo que hace muy fácil de ensamblar y reparar. *Además, los componentes son muy comunes y se encuentran en cualquier almacén de electrónica. La calidad del sonido que entrega este amplificador es un buena considerando su sencillez; lo más importante es que el bafle o bocina que se conecta en su salida tenga también unas características adecuadas. El amplificador tiene 3 etapas: *La primera de ellas esta conformada por un preamplificador, constituido por el transistor Q1 (2n22), que se encarga de aumentar el nivel de señal entregado por la fuente de audio, el cual, puede ser demasiado bajo en algunos aparatos. *la segunda etapa lo conforma los transistores Q2(2N22) y Q3(2N22); su función es amplificar la señal antes de pasarla a los transistores de salida. *la última etapa la conforman los transistores Q4(TIP41c) y Q5(TIP42c), los cuales entregan su señal al parlante a través del condensador , en este ejercicio utilizamos una bocina de 4 ohmios. 11 AMPLIFICADOR DE 10W 12 AMPLIFICADOR DE 10W 13 AMPLIFICADOR DE 10W 14 AMPLIFICADOR DE 10W 15 AMPLIFICADOR DE 10W 16 AMPLIFICADOR DE 10W 17 AMPLIFICADOR DE 10W Desarrollo práctico: Implementar el circuito empleando una sola bocina, conectando cada componente de acuerdo al diseño mostrado para una bocina de 4 ohms. Material y equipo a utilizar. 1 bocina 1 fuente de voltaje 1 multímetro digital 1 protoboard (para comprobar que el diseño esta correcto antes de pasarlo a una placa fenólica) 2 resistencia de 220 1 resistencia de 39k 1 resistencia de 4.7k 1 resistencia de 3.9k 1 resistencia de 390 1 resistencias de 8.2k 1 resistencia de 82k 1 resistencia de 2.2 3 transistores 2N2222A 1 TIP 41C 1 TIP 42C 1 capacitor de 1000uF a 50V 1capacitor de 1uF a 16V 2 potenciómetros 1 bocina de 6 AMPLIFICADOR 2 WATTS 18 PROCEDIMIENTOS Y RESULTADOS. Antes que nada una vez que terminamos de soldar nuestra placa, nos aseguramos de que las pistas no tuvieran ningún corto, para ello checamos continuidad después medimos con nuestro multímetro nuestros voltajes que habíamos calculado y también medimos corrientes y los puntos de operación, ya que comprobamos que nuestros cálculos coincidían con las mediciones conectamos nuestra bocina de 4Ω, y efectivamente funciono como lo esperábamos. Conclusiones y observaciones: Un punto fundamental al probar el diseño, fue medir el voltaje del capacitor y la corriente del colector de TIP 41C para verificar si estaba funcionando bien el circuito de acuerdo con lo calculado. Una observación importante es que antes de conectar un circuito a un voltaje se debe verificar que las piezas que integran el circuito están conectadas correctamente y al alimentarlo con voltaje es necesario medir los voltajes y verificarlos con los resultados calculados. AMPLIFICADOR 2 WATTS 19 Bibliografía y software: 1.- principios de electrónica- Albert Paul Malvino. 2.- Electrónica Analógica serie Shaum Autores: Luis Cuesta García. Antonio Gil Padilla y Fernando Remiro Domínguez. 3.- Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos: Boylestad Nashelsky