Amplificador de audio 40 W AMPLIFICADOR DE 40W Autor Guillermo H. NECCO; LW3DYL
Uno de los pedidos más frecuentes de los principiantes en Electrónica es un amplificador, para poder conectar a una PC o a un Discman. Hace un tiempo publicamos uno, pensado en brindar la mayor fidelidad posible, pero era complejo y no toleraba muy bien el reemplazo de algunos componentes. En este caso recorro el camino inverso: trato de hacer el amplificador lo más sencillo que se pueda, sin perder en absoluto fidelidad, para que los que recién empiezan puedan disfrutar del montaje de este pequeño pero eficaz dispositivo, que hará las delicias de más de un audiófilo.
Para desplazar el cono de un altoparlante, y así escuchar música, debo tener en cuenta ciertos presupuestos: En primer lugar la potencia a desarrollar por el amplificador. Para este caso elegí una potencia de 40Watts RMS, suficiente para un amplificador hogareño y que no presenta problemas con la tensión de trabajo o la disipación de los transistores de salida. Para lograr estos 40 Watts voy a necesitar una cierta cantidad de tensión y una cierta cantidad de corriente para poder accionar el altoparlante, que por Ley de Ohm calculamos con las fórmulas de la Figura 1.
Por lo que vemos, necesitamos un dispositivo amplificador que pueda generar en la salida una tensión de por lo menos 18 Volts (eficaces) y que administre una corriente de 2,2 Amper como mínimo, teniendo en cuenta que la impedancia normalizada de un altavoz de alta fidelidad es de 8 ohm. En un amplificador de audio existen dos bloques fundamentales: el amplificador de tensión (desarrollado en base a un amplificador diferencial) y el amplificador de corriente (que son los transistores de salida, adaptando la alta impedancia de salida del diferencial a la baja impedancia del altoparlante) En la Figura 2 vemos porqué amplifica el operacional. Recordemos que un amplificador
de audio moderno es un gran amplificador operacional.
Por definición, el amplificador operacional trata de mantener equilibrada la diferencia de potencial entre las entradas inversora y no inversora. Como vemos en el primero, conectado como seguidor, si sube 1V la tensión sobre la entrada no inversora, la salida sube también 1V para compensar la diferencia e igualar las dos entradas. Veamos el caso del segundo operacional. Aquí hay un divisor resistivo en la cadena de realimentación, por lo que, si la entrada no inversora sube 1 Volt, la salida tiene que subir 2 Volt para que el divisor resistivo me entregue 1 Volt a la entrada inversora y así equilibrar las entradas. Con este truco hemos logrado amplificar en tensión, ya que la salida es dos veces la señal de entrada. Si colocamos un divisor por 10 en la realimentación obtendremos en la salida 10 veces la tensión de entrada. Obviamente hay que alimentar el operacional con las tensiones y corrientes adecuadas para obtener esas excursiones de tensión sin problemas. Con respecto a esto volvamos a nuestro amplificador de 40 W Veíamos en la primer fórmula que se necesitaban 18 Volt eficaces para lograr una potencia de 40 Watt. Por lo tanto, la tensión de pico del amplificador debe ser de 18 V por la raíz cuadrada de 2, lo que nos da un poco más de 25 Volt. Le sumamos a esto unos 5 Volt por pérdidas en los transistores y vemos que necesitamos una tensión mínima de 30 Volt para los picos positivos y –30 Volt para los picos negativos. Por eso utilizamos en este diseño una fuente partida con el 0 Volt a masa y dos salidas, una de + 30 V y una de – 30 V. Otro punto a tener en cuenta es la polarización de los transistores. La base debe estar 0,7 Volt más alta que el emisor, de lo contrario el transistor no encendería en el paso por cero de la señal de audio, sino 0,7 V más arriba, ocasionando una seria distorsión que se denomina por cruce, como vemos en la Figura 3.
Otro detalle a tener en cuenta en el diseño del amplificador es la ganancia en tensión que debe desarrollar. En el peor de los casos será conectado a una salida de línea de una cassetera o un sintonizador de FM, que tiene una salida de línea normalizada de alrededor de 250 mV. Para lograr una excursión de 18 Volt debe tener una ganancia en tensión de 18 / 0,250 = 72. La relación de amplificación de tensión en un operacional se da con la relación de resistencias de realimentación. Por las dudas le damos un factor de amplificación de 82 y le colocamos un preset en la entrada para bajar la ganancia en caso de utilizar fuentes con mayor salida. Este preset se regula de forma que con el volumen al máximo el amplificador no distorsione, porque el exceso de distorsión puede quemar los tweeters e incluso los transistores finales. Veamos ahora una explicación detallada del circuito del amplificador de 40 Watt, mostrado en la Figura 4:
Vemos que la señal de entrada ingresa por un preset para regular el volumen máximo y un capacitor, preferentemente no polarizado de 10uF a la base de uno de dos transistores BC548 configurados como par diferencial (corazón de un amplificador operacional). Un capacitor de 100 pF deriva las componentes de muy alta frecuencia a masa, dado que pueden hacer oscilar el equipo. Un resistor de 82 K polariza el primer transistor y tiene como referencia la masa del sistema (0 V). Para que el par diferencial trabaje equilibrado es necesario alimentar sus emisores con una fuente de corriente constante, trabajo que realiza la resistencia de 47 K que se alimenta de una fuente de tensión constante como es el diodo zener de 24 V. Este asimismo se alimenta de un sistema que elimina los transitorios de tensión que puedan llegar a producirse en la tensión de salida por medio del filtro creado a partir del diodo 1N4007, el capacitor electrolítico de 47 uF y la resistencia de 1 K. En el colector del transistor PNP BD140 tenemos ahora la tensión de entrada amplificada 82 veces, de acuerdo a la relación de la resistencia que alimenta la entrada inversora (segundo transistor BC548) y su derivación a masa (1 K a través de un capacitor de 47 uF). Este transistor alimenta un par de transistores 2N3055 en simetría cuasi complementaria. Este par de transistores junto a dos driver BD139 y BD140 son el amplificador de corriente, dada la enorme ganancia de corriente de esta configuración, típicamente de 1.000, por lo que si en la salida debe entregar 2,2 Amper, habrá que excitar la base con solamente 2,2 mA, haciendo que el amplificador de tensión trabaje “liviano” o “suelto”, pudiendo reproducir con fidelidad la señal de entrada. ¿Cómo es esto? Imaginen que tienen que sacudir una mano imitando el aletear de un pájaro. Con la mano libre lo pueden hacer con rapidez, pero si la cargamos con una bola de bowling no podremos moverla mucho. Con los amplificadores pasa lo mismo: el amplificador de tensión se pone “pesado” si a su vez tiene que alimentar una carga de baja impedancia, por eso, cada uno hace su trabajo. Vemos asimismo que las bases estás interconectadas entre sí por cuatro diodos (uno por cada juntura de transistor de salida) que polarizan los transistores de forma que en estado de reposo (sin señal de audio) dejen pasar una pequeña corriente (entre 10 y 20 mA) para evitar la distorsión por cruce. Esta corriente se ajusta con el preset de 500 ohm. Nos queda entonces analizar una red compuesta por dos resistencias de 4K7 y un electrolítico de 47 uF. Esta red se conoce como “bootstrap” y evita que ante una excursión muy grande de la tensión de salida (a alto volumen) falte tensión para saturar el conjunto de transistores BD140 / 2N3055. El capacitor de 0,1 uF y la resistencia de 10 ohms amortiguan los efectos que puede producir una componente reactiva (el parlante) sobre el amplificador y disminuyen las oscilaciones de alta frecuencia. La fuente partida de alimentación la podemos ver en la siguiente Figura 5:
Los transistores de salida deben manejar una corriente importante, por lo que generan una cantidad de calor que debe ser disipada. Para ello hay que montarlos sobre un disipador, pero proveyéndole aislación eléctrica por medio de micas o separadores aislantes, que dejan pasar el calor pero impiden el contacto eléctrico de las carcasas de los transistores que como sabemos, son el Colector de los mismos. Lo veremos en la Figura 6:
El ajuste de la corriente de reposo es muy simple: para que el amplificador funcione bien a bajo volumen debe circular por el par de transistores de salida (Sin señal, o sea con el
volumen completamente bajo) una corriente de por lo menos 20 mA, que ajustaremos desplazando en el sentido de las agujas del reloj el preset de 500 ohm. Insertamos de una de las resistencias de 0,47 ohm 2 Watt las puntas de un multímetro en la escala de 200 mV. Utilizando Ley de Ohm vemos que una corriente de 0,02 A atravesando una resistencia de 0,5 ohm provoca una diferencia de potencial de 0,01 Volt. Ajustamos entonces el preset hasta que el multímetro lea 10 mV (0,010 Volt). Otro punto a tener en cuenta en el montaje en el gabinete es el de enviar las masas a un solo punto en el chasis. Si desparramamos las tomas de tierra por todo el gabinete metálico nos generará ruidos y oscilaciones indeseables que pueden hacer calentar los transistores de salida de forma inapropiada
LISTA DE MATERIALES: • • • • • • • • • • • • • • • • • •
1 plaqueta pertinax 6 cm x 6,5 cm 1 disipador 2 transistores 2N3055 con micas (2) y niples (4) 2 “ BD140 1 “ BD139 2 “ BC548 1 zener 24V 1W 6 diodos 1N4007 4 electrolíticos 47uF 35V 2 “ 10uF 35V 1 cerámico 27 pF 1 “ 100 pF 1 “ 0,47uF (473) 1 poliéster 0,1 uF (104) 2 resistencias 0,47 ohm 2W 1 “ 10 ohm 2W 2 “ 10 ohm 2 “ 100 ohm 2W
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1 “ 100 ohm 1 preset 500 ohm 2 resistencias 1 K 1 “ 2K7 2 “ 4K7 1 “ 47K 2 “ 82K
