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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA , ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto
Amplificador de audio Clase AB Nixon Cardona 2092016 Andrés Serrano 2092021 Erika Zárate 2092017 Presentado a: Jaime Barrero
OBJETIVOS Construir un amplificador de audio que satisfaga los requisitos de THD (distorsión (distorsión armónica armónica total), potencia de salida teniendo libertad para escoger los elementos con los cuales trabajar. •
Clase A Clase B Clase AB Clase C Clase D
• Conocer el funcionamiento del circuito del amplificador y de
Cada uno de estos tiene una característica diferen a la forma de la señal de salida. El clase AB es co trabajara para realizar el amplificador de soni características características que posee.
cada uno de los elementos que lo conforman para ver de qué manera alteran el circuito.
MARCO TEORICO
Entender las diferencias y el funcionamiento de una etapa de salida clase A, clase B y clase AB.
•
• Implementar algoritmos que permitan la medición de la THD
(Distorsión Armónica Total) en el amplificador.
Clase A: presenta una señal copia de la amplificada y sin distorsión, en el mercado son l cuestan pero son los menos prácticos. Devuelven limpias pero despilfarran mucha corriente. La gran desventaja de la clase A es que es poco decir que requiere un amplificador de clase A m para dar 50 vatios, vatios, y ese amplificador amplificador usa mucha c pone a muy alta alta temperatura.
INTRODUCCIÓN El amplificador es un dispositivo que aumenta la amplitud de un fenómeno. Existen varios tipos de amplificadores: amplificadores: mecánicos, hidráulicos, neumáticos, etc. Pero por lo general los amplificadores amplificadores son de audio, estos producen que la magnitud del sonido de la salida sea mayor a la de la entrada,
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tienen una gran desventaja: una distorsión audible con señales pequeñas. Esta distorsión puede ser tan mala que lleva a notarse con señales más grandes.
Figura4: salida del amplificador clase
Clase D: Aunque estos tipos de amplificado mayormente para aplicaciones especiales como am de guitarras, de bajos y como amplificadores para en la actualidad se están creando amplificadores para todo tipo de aplicaciones. Con esta clase Figura 2: salida del amplificador clase B amplificadores incluso más pequeños que los de Clase AB: Este tipo, usa menos corriente que los de clase A y más eficientes, aunque están limitados para meno (menos del margen total de audio). pueden ser más baratos, pequeños y ligeros. Los Los amplificadores de clase D usan técnicas de mo amplificadores de clase AB son casi iguales a los de clase B, pulsos para obtener mayor eficiencia. Ade ya que al igual que estos tienen dos transistores de salida. Sin transistores que están o bien encendidos o bien casi nunca entre-medias y así gastan la menor embargo, los amplificadores de clase AB difieren de los de posible. También, son más eficientes que clase B en que tienen una pequeña corriente libreYou're fluyendo del corriente Reading a Preview terminal positivo al negativo incluso si no hay señal de A, clase AB, o clase B. Algunos tienen una eficien a plena potencia, pudiendo incluso tener baja d Unlock full access with a free trial. entrada. Esta corriente libre incrementa ligeramente el pesar de no ser tan buena como los de clase consumo de corriente, pero no se incremente tanto como para amplificadores clase D son buenos por su eficienci parecerse a los de clase A. Esta corriente libre incluso corrigeWith Free Trial Download casi todas las no linealidades asociadas con la distorsión del BJT: Los transistores pueden ser considerados filtro. Estos amplificadores se llaman de clase AB en vez de A diferentes configuraciones de diodos. Un BJT PNP porque con señales grandes, se comportan como los de clase como dos diodos que tienen ambos cátodos uno fr y el NPN tendrá los dos diodos con los ánodos B, pero con señales pequeñas, se comportan como los de clase Ambos tipos de BJT funcionan dejando una pequ A. de corriente a la base para controlar una salida up to El vote on this title desde el Sign colector. resultado es que el transis useful por su entrad buen interruptor controlado Usefulque está Not El BJT también crea un buen amplificador, ya multiplicar una señal de entrada débil a 100 vec
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selección era uno que cumpliera una potencia de salida mínima de 60 Watts, el siguiente era una THD inferior al 0.1%. Con estas restricciones en mente se redujo la cantidad de esquemas disponibles para su implementación, sin embargo aún existían suficientes modelos a disposición para montar. El siguiente criterio para escoger el diseño final fue hallar uno que pudiese ser simulado pues se tuvo el inconveniente (la primera vez sucedió después de tener casi todo listo) de que no se encuentra fácilmente el modelo spice para Orcad ni para Proteus, las cuales eran las herramientas de simulación que en ese entonces se pensaban usar. Así que un esquema que fue escogido como definitivo tuvo que ser descartado por este detalle que termino siendo nada menor. Se halló un esquema de un amplificador implementado con BJT’s que finalmente fue el esquema a implementar por las
siguientes razones: De la página web donde se buscó, se asegura que posee una potencia de salida de 100 [Watts rms] y una THD del 0.01%, lo cual sobrepasa las especificaciones pedidas, y se quiso así porque investigando sobre el tema se llegó a la conclusión de que en cuestiones de audio, los esquemas utilizados en teoría proveen 100watts de potencia de salida pero en la práctica se traduce a mucho menos que esto, así que por esta razón se quiso sobrepasar este parámetro en gran medida.
un solenoide o algún otro dispositivo analógico. L las etapas de ganancia de tensión tiene la suficien para alimentar el amplificador de potencia de la sal En los amplificadores de potencia los requerimien etapas de salida de audiofrecuencia son signifi distintos de los amplificadores de baja potencia. salida debe entregar una cantidad apreciable de po capaz de manejar cargas de baja impedancia. La d señal de salida debe ser baja y se mide co distorsión armónica total THD. El aumento en la e amplificador disminuye la cantidad de potencia en la fuente dc. Un requerimiento bajo en potencias d mantener la temperatura interna de los transistores del valor máximo. La etapa de salida debe entrega la cantidad requerida de potencia de una manera ef
LOS AMPLIFICADORES DE POTENCIA CLA aquellos amplificadores que reciben una pequeña a constante, independiente de las entradas, en suma a producida en función de la señal. Es decir, se cont alimentación constante mínima y además, el a aumentará también la potencia que entrega a los a función de las señales de entrada que reciba. Esta de amplificador más común en el área del sonido, se pueden conseguir también de clase A, aunque ya You're Readingalto a Preview consumo de corriente de estos aparatos. L domina el mercado y rivaliza con los mejores de Unlock full access with a free trial. calidad de sonido. Usa menos corriente que los d pueden ser más baratos, pequeños, eficientes amplificadores Download With Free Trial de clase AB son casi iguales a los en que tienen dos transistores de salida. Sin em amplificadores de clase AB difieren de los de cla tienen pequeña corriente libre fluyendo del termi al negativo incluso si no hay señal de entrada. Es se incrementa ligeramente, pero no se incremente para parecerse a los de clase A. Esta corriente to vote title corrige Sign casi up todas las onnothislinealidades asocia distorsión filtro. Estos se llam Useful useful del Notamplificadores AB en vez de A porque con señales grandes, se como amplificador clase B, pero con señales p comportan como amplificador de clase A y no
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de clase AB respecto a los dos anteriores pueden ser mucho más ligeros, eficientes y sin generar tanto calor en los elementos, el dispositivo se polariza en la zona lineal pero en un punto muy próximo al extremo de respuesta lineal. El circuito que tiene los amplificadores de clase AB polariza los transistores de forma que el punto de operación este en la zona lineal, y con esto se intenta eliminar la distorsión de cruce por cero que tiene el amplificador de clase B. En el diagrama eléctrico se puede observar que es un amplificador con par diferencial a la entrada. El par diferencial consiste en dos transistores PNP, en este caso A733, unidos por sus emisores, y por ese mismo puente de unión reciben un voltaje, además toda esta primera etapa está regulada por un diodo zener y un transistor C2229 , que forman una etapa de regulación muy confiable. Eso permite que si subimos el voltaje de la fuente, siempre tendremos el mismo voltaje en el par diferencial, haciendo este amplificador muy estable. Luego de esta primera etapa encontramos otras dos etapas de transistores antes de llegar a los transistores de potencia. Esto hace que el amplificador sea de gran rendimiento y óptimo para manejar grandes potencias.
Figura 5: Transformador
Se tomó a la salida 33-0-33 [V] y para la rectificación se usó un puente de diodos de 8 [ capacitores de 2200 [µF], la salida rectificada sinusoidal multiplicada por 1.4141 dando un igual A la salida se hallan los transistores de potencia, que se You're Reading Previewcomo es una fuente dual se tienen +4 enacontinúa, encargan de entregar ésta a la carga, esta etapa es 46.5 [V]. El transformador usado es de 6 A y la especialmente sensible mientras el circuito está trabajando Unlock full access with a free trial. pues debido a las altas corrientes que pasan por allí se hace salida 46.5 [V] dual así que la potencia que e transformador es V*I=558[Watts], este cálculo se necesario colocar un disipador junto a estos transistores. noFree se leTrial puede pedir al amplificador de audio u Download With mayor a la que entregue el transformador, Lo primero al momento de hacer un amplificador como este, es saber que transistores se va a usar. Eso depende de la potencia que se quiera y del presupuesto. En este caso se usará La PCB del circuito hecha con transistores BJT es el transistor 2sc5200. Este transistor tiene una potencia máxima de 150W pico. Esto quiere decir que realmente podemos obtener con este transistor una potencia real de 90W, Sign up to vote on this title ya que todo transistor sólo puede ser forzado a entregar un 60% o 70% de su potencia máxima, esto varía un poco Useful Not useful dependiendo del transistor.
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ellos; con los cuales hubo la necesidad de acoplarlos a un disipador debido a las altas temperaturas que generan la disipación de calor en ellos, estos son los transistores de potencia:
Figura 7: Transistores de alta potencia
You're Reading a Preview Unlock full access with a free trial.
Junto al disipador se instaló un ventilador que eliminara el Figura 9: Esquema del montaje total calor, los demás elementos usados fueron un potenciómetro a la salida del amplificador que se encargará de Download controlar la With Free Trial En el esquema anterior se muestra un bloque d potencia de salida, la entrada de Jack para conectar el sonido y total, a excepción de la red de Zobel que no se hizo los cables de salida que van al parlante
THD
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En el datasheet de la tarjeta de arduino, Atmel reco la velocidad de reloj del ADC esté entre 50-200
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guardarlo en un fichero, para luego ser utilizado en otros programas.
ADMUX=(1<
Programa Python void loop() {
#! /usr/bin/env python import serial #para este comando necesaria la librería pySerial
#if CHRONO==1
es
MeasureTime(); for (;;) { }
ser = serial.Serial('COM3', 1000000); while 1: try: n=ser.read(); n=ord(n)*5000/255; #Convierto en mV print n; except KeyboardInterrupt: ser.close(); sys.exit(0)
#else int i; for (;;) { while (!(UCSR0A & (1 << UDRE0))); UDR0 = analogReadFast(); i++; if (i==-1); } #endif
Codigo arduino
You're Reading} a Preview //----------------------------------------------//Read ADC Unlock full access with free trial. int aanalogReadFast() // Fast Acquisition { // By: Igor R. ADCSRA|=(1<
0
void setup() { Serial.begin(1000000); //Prescaler
//1 Mbps
//Chrono function void MeasureTime() { Sign up to vote on this title unsigned int i=1; Useful Not useful unsigned long tStart; unsigned long tEnd; //-----------
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(float)tStart)); Serial.println(" Hz"); }
En este punto ya se ejecutaron los programas de Python y de Arduino, y conectando la señal de entrada al pin 5 digital de la tarjeta se obtiene un script que contiene información de la señal muestreada a una frecuencia de 66417 Hz. Cuando ya se tiene l número de datos deseados, se deja de ejecutar los dos programas, y ya con este dato en el computador, se procede a llevar la variable a otro entorno más amigable.
Figura 10: Esquemático en Orcad
Se excitó la entrada con una señal sinusoid amplitud, esta fue la respuesta obtenida:
Código Matlab
You're Reading a Preview
xn = csvread('THD.csv'); %carga el script 40V que se genera con python Unlock full access with a free trial. y = FFT(xn)/length(xn); %Transformada de fourier normalizada (29.653) Download magnitud = abs(y); %Solo interesa laWith Free Trial 0V magnitud [A1,F1] = max(magnitud); % devuelve el pico más alto y la posición de este. A2 = xn(2*F1); %segundo armónico -40V A3 = xn(3*F1); 2 .0 00 0s 2 .0 00 2s 2 .0 00 4s 2 .0 00 6s 2 .0 00 8s 2 .0 01 0s 2 .0 01 2s 2 .0 01 4s 2 .0 01 6s 2 .0 01 8s 2 .0 02 0s 2 .0 02 2 A4 = xn(4*F1); V(R20:2) Sign up to vote on thisTimetitle A5 = xn(5*F1); del circuito [V/V] THD1 = (sqrt(A2^2 + A3^2 + A4^2 + Useful 11:Ganancia Figura Not useful A5^2))/A1; %THD del amplificador.
Av=29.6/200E-3 = 148 [V/V]
Ya en matlab le aplicamos la transformada rápido de Fourier
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De la gráfica del ancho de banda, se observa que el circuito posee uno desde algo antes de la frecuencia de 1 KHz hasta más o menos 30 KHz. Se simuló también el circuito con una carga de 6 Ohm y la potencia de salida fue la siguiente:
La figura anterior me permite ver como la potenc disminuye al aumentar la carga lo que es consecu son inversamente proporcionales. Cabe anotar que de salida está totalmente limitada por el polarización del circuito
La mayor señal de entrada sin que la salida se saturara fue de 250 mV la salida fue de 36.8 Vp es decir 26.021 Vrms
Eficiencia 64,5 64 63,5
Prms=
63
62,5 62
Distorsión
61,5 61 6
10
Carga [Ω]
Figura 15: Eficiencia Vs carga
La eficiencia varia muy poco al variar la carga, en cambio parece brusco pero esto se debe a la esc trata de mantenerse. You're Readingeficiencia a Preview Vnl a free trial. Unlock full access with
Figura 13:THD orcad
Carga[Ω]
Re gul aci on
Download With Free Trial
26,657 6
8
0, 04
0, 02359
0, 0
Tabla 2: Datos de la regulación al variar la
Continuaremos con las tablas de regulación y eficiencia simuladas variando la carga y haciendo sus respectivas gráficas para mirar el comportamiento que tiene el circuito
Regulacion 0,045 0,04 0,035
Carga [Ω] Eficiencia % P. out [Watts]
6
10
15
62
63,8
63,9
108
68,65
46,37
Tabla 1: Eficiencia variando la carga
0,03 0,025 0,02 0,015 0,01
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y con valores cercanos a cero, esto quiere decir que a diferentes cargar el circuito presentara una regulación estable. Ahora la tabla 3 se tomó del datasheet del 2sc5200 :
Los datos anteriormente simulados fueron confro laboratorio, se colocó a la entrada de audio sinusoidal de amplitud 200mV y se esperó la resp entrada, la gráfica que arrojó el osciloscopio es la
Tabla 3: Tabla característica sc5200
Los datos de la tabla permiten observar que la tensión máxima Figura 18:THD orcad entre emisor y colector es de 230[V] por seguridad lo ideal es trabajar con una fuente que entregue el 60 % del voltaje máximo de los transistores también es importante tener en Av = 29.0/200 mV= 145 [V/V] cuenta la corriente máxima que puede pasar por la base es de You're Reading a Preview 1.5 [A] y la máxima corriente que puede pasar por el colector La cual como se puede observar es menor que la es de 15 [A] esta corriente es pico luego el transistor la soporta la simulación. full access a free trial. por muy poco tiempo. Por otro lado se puede ver Unlock en la tabla de with la hoja de datos que la disipación de potencia es de 150 [W] y la corriente del colector no puede superar esto 150Download [W]. With Free Trial Cuando se quiso medir la potencia de salid resistencias de 22 Ohm en paralelo c/u con 2 potencia los transistores de potencia de suficiente como para parar la prueba en ese mome cuando se realizó la misma aún no se contaba con e que sale en las imágenes anteriormente mostradas. Sign up to vote on this title
useful Seguidamente se observó en el laboratorio la tran Useful Not Fourier para la señal de salida trabajándola a una central de 1000 [Hz] (teóricamente), se puede
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Figura 19: Transformada de Fourier
La figura 16 muestra el primer y segundo armónico, el primer armónico está a una frecuencia de 2 [KHz] con una magnitud de 30 [dB] y el segundo armónico está a una frecuencia de 3[KHz] y tiene una magnitud de 37,6 [dB]. Se puede ver que los armónicos se repiten cada 1000[Hz] y que después del 4 armónicos lo demás son menos visibles.
Figura 21: con carga de 6.1[Ω]
PUESTA EN FUNCIONAMIENTO
Se adquirió un parlante de 100 watts salida(teóricamente, especificada por el fabricante You're Readinglasa pruebas Preview de sonido, con una impedancia de 6 Oh Antes de conectar el parlante se verificó Unlock full access with a free trial. funcionamiento del circuito; se verificó la caída d diodo zener y demás voltajes fijos que sugería el e proyecto (Ver figura 4). Hecho esto se conectó Download With Free Trial inmediatamente después la entrada de audio se in computador teniendo especial cuidado de tener a potenciómetro, poco a poco se fue aumentando entrada y claramente se escuchó la potencia que s este amplificador, de hecho causó sorpresa cuando escucharse la señal de audio sin llegar a pres up to vote on al this title distorsiónSign aparente, debido calentamiento de los de potencia el ventilador usefulencendido todo Useful Notestuvo manteniendo refrigerados los mismos, para encen un cargador de celular.
Figura 20: Transformada de Fourier en primer y segundo
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inmediatamente se pusiera en macha, en este punto se llegó a la verificación de la frecuencia de muestreo lo cual concordó con lo esperado. Además, se decidió no correr el riesgo en la conexión de la tarjeta Arduino con el circuito amplificador debido al alto consumo de corriente de este, primero se procederá a implementar un opto-acoplador para aislar la tarjeta y evitar algún daño por exceso de voltaje o corriente.
PRESUPUESTO Elemento
valor
cantidad
precios por unidad
R1
68 [kΩ]
2
35
70
R2
3.3[kΩ]
3
35
105
R3
33 [kΩ]
1
35
35
R4
2.2 [kΩ]
1
35
35
R5
150 [Ω]
5
35
175
R6
1 [kΩ]
1
35
35
R7
10 [Ω]
1
35
35
R8
1000 [Ω]
1
35
35
R9
0.47[Ω] 20[W]
1
750
750
Los amplificadores clase AB son sens alteraciones que pueda presentar el circu con cualquier variación de los elementos, la potencia, el sonido y la polarizaci aunque esto no evita que sean estables.
El amplificador de clase AB es el que s como mejor opción al momento de proyecto por su bajo consumo de corri baja distorsión, porque combina dos muy buenas de los amplificadores clase A frecuencias ) y clase B (para altas frecuen
Cuando se le exige al amplificador un elevado, el consumo de potencia aum transistores sc5200 se calientan debido a de la corriente para bajar la temperatura disipador y así evitar daños en el circuito.
total
C1
1 [µF]
1
200
200
C2
4,7[µF]
1
250
250
C3
1000[pF]
2
100
200
C4
10 [pF]
2
50
100
BJT
A733
2
BJT
C229
3
BJT
TIP42
2
BJT
TIP41
1
BJT
2sc5200
2 1
5000
5000
tranformador
6[A]
1
35000
35000
puente diodos
8[A]
1
2000
disipador
Los elementos que conforman el amplific un papel muy importante ya que los v 800 1600 resistencias y de los capacitores tiene 900 2700 propósito ya sea la polarización de los tra You're Reading a Preview 1200 2400 ganancia de retroalimentación, filtros 1200 1200 Unlock full access with a freeregulación trial. de BIAS 5000 10000
Download With Free Trial A pesar de tener el código para la medic 2000 esta actividad no se pudo realizar por la parlante 1 25000 25000 6 [Ω] razones: No se tenían garantías de que la Jack 1 1000 1000 PCB 1 25000 25000 estar protegida a altas corrientes. La seña banco de capaci tore s 2200 [µF ] a100 [ V] 1 16000 16000 al arduino tiene que estar elevada cier total 128925 offset para no tomar valores negativos, es Figura 22: Tabla de presupuesto no se tuvo en cuenta desde el inicio y por Sign up to vote on this title una debida implementación. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES Useful Not useful
El proyecto tiene como fin realizar un amplificador clase AB que tenga una THD muy pequeña (0.01%)
La eficiencia que presenta el circuito deb el 50 % y 75 % que son las eficiencias d
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Amplificadores con transistores
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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA , ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto
BIBLIOGRAFIA Amplificador de 100 Watts mono http://construyasuvideorockola.com/downloads/zener _100W_mono_cuasi.pdf [Consulta, viernes 28 de Febrero/2014] SEDRA, Adel S. Circuitos Microelectrónicos, 4 Edición
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