AMPLIFICADORES DE POTENCIA El manual que encontrará a continuación es una síntesis de la experiencia que hemos acumulado a lo largo de estos años haciendo amplificadores. Hemos tratado de hacer este artículo basado en la práctica, sin tanta teoría. Usaremos como ejemplo varios amplificadores que podrá hacer y corroborar que lo aquí escrito es cierto.
QUE ES UN AMPLIFICADOR? Se define como un amplificador, el circuito o sistema electrónico que recibe en su entrada una señal relativamente débil, a la que se le suma una corriente eléctrica, para entregar a la salida una señal más fuerte que puede excitar un parlante y de esta forma, esta onda de sonido podrá viajar a mayor distancia.
Amplificador de 300W RMS con transistores tipo TO3
DE QUE CONSTA UN AMPLIFICADOR? Un amplificador está formado por tres bloques principales bien diferenciados que son: -
Fuente de alimentación preamplificación Planta de sonido
La fuente de alimentación es la parte encargada de suministrar la energía eléctrica necesaria; para que el amplificador opere, es decir para que pueda aportar potencia a la débil señal de audio, es necesario que exista una fuente de corriente eléctrica lo suficientemente potente, al menos de un 30% mas que la potencia del amplificador. Ningún aparato electrónico puede trabajar sin energía, es imposible amplificar una señal eléctrica, sin un suministro externo de energía, porque precisamente la potencia que gana la señal de audio dentro del amplificador, es aportada por la fuente de alimentación. La corriente con la que opera un amplificador es corriente continua ( DC), como la que suministra la batería de un auto Solo que en muchas ocasiones el voltaje usado es mucho más alto que el proporcionado por una batería. La corriente continua es unidireccional y constante; viaja en un solo sentido y no fluctúa, es decir no aumenta, ni disminuye a lo largo del tiempo. La corriente que proporciona la toma doméstica de la línea comercial, es corriente alterna (AC). Todo lo contrario a la corriente directa, la alterna es bidireccional, es decir que tiene dos sentidos, va y viene, y fluctúa con el tiempo, aumentando y disminuyendo. Otro gran problema de la corriente de la red pública es que tiene muchos amperios y puede ser mortal si no se aísla con un Transformador. Por esto se coloca un transformador que se encarga de cambiar el voltaje de la red, al voltaje que necesite el amplificador, sin contar que se aísla la corriente de la red red pública del circuito, circuito, permitiendo trabajar con tranquilidad. La fuente rectificadora recibe la corriente del Transformador para luego convertirla en corriente continua. Este proceso se conoce como rectificación rectificación y es llevado a cabo mediante 4 diodos semiconductores, que permiten permiten el paso de corriente en un solo sentido. A este grupo de diodos se les conoce como puente de diodos. Dichos diodos convierten la corriente alterna a continua, pero no constante, para lograr este efecto, debe emplearse un filtro o condensador que ya entrega una corriente constante a la salida de la fuente. Ahora bien, las fuentes de los amplificadores pueden ser de dos tipos: Fuente simple o Fuente simétrica. La fuente simple entrega a su salida un voltaje positivo y un tierra o común, a donde llegan todos los electrones después de pasar por el circuito eléctrico, en este caso el amplificador. La fuente simétrica entrega a la salida un voltaje positivo, otro voltaje negativo y un tierra o común. Realmente la fuente simétrica es una fuente simple con un punto centro que tomamos como tierra. Por esa razón al medir se obtiene un voltaje positivo y otro negativo. Este tipo de fuente es la más usada en los amplificadores, ya que facilita el trabajo al momento de lograr un punto de reposo de cero ( 0) voltios. Finalmente toda fuente de alimentación está protegida mediante un fusible, que no es otra cosa que un alambre delgado que se funde cuando la corriente es excesiva.
Preamplificación Las señales producidas por una fuente de sonido, como un micrófono, guitarra eléctrica, tornamesa, etc., son muy débiles, como para ser reproducidas por una planta de sonido. Por tanto es fundamental que en la cadena de audio, se utilice un Preamplificado que se encargará de elevar la señal; actuando sobre la tensión de la señal de entrada, ajustándola a un nivel lo suficientemente alto, como para que excitar el amplificador. Para que la señal salga del preamplificado, deberá haber alcanzado el nivel de línea, que es un estándar propuesto en los cero decibelios (0dB).
Otra de las grandes cualidades de usar un Preamplificado es que por lo general vienen con un ecualizador de al menos dos bandas. A esto se le llama tonos. Los tonos permiten ecualizar las frecuencias al gusto del escucha, realzando las frecuencias que considere más agradables al oído.
Por ejemplo el preamplificado que observamos en la foto tiene un ecualizador de tres tonos; Bajos, Medios y Altos. Además trae una entrada de micrófono y otra de línea, donde conectaremos el reproductor de sonido. Esto hace más versátil nuestro amplificador.
El preamplificador toma las distintas señales de audio, provenientes de diversas fuentes de sonido (cada fuente de audio tiene un voltaje de salida diferente), para de esta forma unificar su tensión eléctrica, y así, una vez igualada enviarla a la siguiente etapa, llamada planta o potencia de sonido.
La relación entre el nivel de salida y el nivel de entrada, se conoce con el nombre de Ganancia. Así, la ganancia expresada en decibelios, indica el nivel de amplificación de una señal.
La etapa de ecualización que permite, además de regular la tensión de salida, modular las frecuencias, esto se requiere en el caso de las videorockolas, ya que su música está comprimida en formato Mp3, que presenta una pérdida de frecuencias bajas y altas, las cuales se pueden recuperar, mediante el ecualizador. Esta ecualización no se usa en los equipos de alta fidelidad o Hi Fi, ya que distorsionan la señal original. De esta manera se pierde la mezcla realizada por el ingeniero de sonido, quitándole la identidad sonora a la canción ejecutada.
Planta de sonido o etapa de potencia La etapa de potencia es básicamente el circuito amplificador sin ningún aditamento. El amplificador recibe la señal que le envía el preamplificador y le suma un voltaje y una corriente, agrandando la señal original de manera notable. La señal es elevada a una potencia lo suficientemente fuerte, como para ser reproducida por los parlantes. Este tratamiento se efectúa en varias etapas usando transistores, válvulas, circuitos integrados o la combinación de varios de estos.
El diseño de amplificadores o etapas de potencia es muy variado. Sin embargo se puede identificar fácilmente si un amplificador es de uso casero, de estudio o Hi Fi, o de uso en espacios grandes.
Por lo general los amplificadores caseros usan integrados y no son de potencias muy elevadas. Los amplificadores Hi Fi pueden usar integrados híbridos tales como los STK de sanyo e incluso los hay con válvulas de vacío.
En cambio los amplificadores de potencia tienen gran cantidad de transistores que los h acen robustos y resistentes grandes voltajes y bajas impedancias.
Un amplificador trae su entrada de señal por lo general con un conector RCA hembra, en el que se inserta el cable proveniente de la fuente de señal. Cuando el amplificador es de uso comercial, trae una gran cantidad de entradas, unas para señales provenientes de reproductores de sonido y otras para micrófonos. En el caso de la videorockola, la señal proviene de la tarjeta de sonido del computador y sale por un jack de 1/8. Esta es transportada por un cable y llega al amplificador en conectores del tipo RCA macho. El amplificador también incluye los conectores de salida a los que se conectan los parlantes.
AMPLIFICADOR DE POTENCIA (parte 3) <<< 1 2 3 4 5 6 >>>
FORMA CORRECTA DE CONECTAR EL AMPLIFICADOR Como ya dijimos anteriormente un amplificador posee unos conectores de entrada y de salida. Mediante un cable apantallado del tipo estereofónico que debe insertarse a la salida de la tarjeta de sonido del computador o del reproductor de sonido, y luego a los conectores de entrada del amplificador. El cable que usemos para este menester debe ser apantallado y grueso. Así evitaremos posibles filtraciones de ruido.
En los conectores de salida a parlante se insertan los cables de los parlantes. El cable que lleva la corriente a los parlantes debe ser relativamente grueso y polarizado. Esto quiere decir que viene en dos colores, rojo y negro. Se debe conectar respetando tanto la polaridad, como la impedancia dada por el fabricante (4 ohmios, 8 ohmios, etc). La polaridad de los parlantes, por lo regular es rojo = positivo y negro = negativo.
QUE PARLANTES SELECCIONAR Los parlantes se eligen de acuerdo a la potencia efectiva del amplificador. Un parlante que tiene en su etiqueta el un número de potencia seguido de la palabra MAX, quiere decir que esa potencia es potencia máximo pico y por consiguiente la potencia real de ese parlante es de un 40% del valor especificado en MAX. Por ejemplo: Un parlante que dice en su etiqueta 500W Max, es realmente de 200W RMS. Claro está que esto también depende de la marca. Hay parlantes de mala calidad que llegan a entregar solo el 20% de la potencia que dice en su etiqueta. Por esta razón es importante ver el ancho de la bobina. Un parlante de 12 pulgadas con una bobina de 2 pulgadas es un parlante regular, pero si tiene 3 pulgadas, muy seguramente va a entregar una buena potencia.
Por esta razón si tenemos un amplificador con una potencia efectiva de 50W RMS por canal, es aconsejable utilizar parlantes de 200W MAX.
Es decir hasta cuatro veces la potencia nominal del amplificador, con el propósito de dejar un buen margen de seguridad y prolongar la vida media de los parlantes.
QUE CABLE UTILIZAR PARA LOS BAFLES Cuando los bafles están cerca al amplificador se puede usar un cable de calibre delgado, como por ejemplo un 18 según la tabla AWG. Pero si los bafles están muy lejos del amplificador (más de 10 metros) es prudente usar cable duplex calibre 15 o 14 cuando menos, para que no existan pérdidas de potencia por culpa de la resistencia del cable.
REFRIGERACIÓN DEL AMPLIFICADOR Todo amplificador de potencia está dotado por lo regular, de un disipador de aluminio anodizado, debidamente atornillado a los transistores de potencia, o transistores de salida. El disipador se encarga de irradiar al ambiente el calor producido por dichos transistores. Además la tapa del amplificador posee unas ranuras que conforman una rejilla, la cual permite que el calor del disipador y del transformador salga libremente al exterior. Al instalar el amplificador es conveniente que tales rejillas se comuniquen con el aire exterior, es decir, no colocar sobre el amplificador dispositivos ni paños o elementos que obstruyan el paso de aire. Si el amplificador va ubicado en el interior de un mueble, éste debe tener orificios que ayuden a la ventilación, si el mueble es de madera; con mayor razón, pués la madera tiende a concentrar el calor en su interior, elevando la temperatura, acarreando que los transistores de salida, o el transformador o en general, las partes que se calientan dentro del amplificador, se averíen. Si es posible adicionar ventiladores al mueble o al amplificador, es aconsejable. Tenga en cuenta que un ventilador debe tener un orificio o espacio por donde reciba aire del medio exterior.
AMPLIFICADORES DE POTENCIA (parte 4) <<< 1 2 3 4 5 6 >>>
AMPLIFICADORES DISCRETOS Y AMPLIFICADORES INTEGRADOS Los amplificadores de potencia se construyen de dos formas, discretos e integrados y una tercera que es la combinación de las dos anteriores, llamada híbridos. Un amplificador discreto es aquel que está con struido, transistor por transistor; es decir, cada etapa transistorizada es independiente, construida elemento por elemento. Un amplificador de transistores puede llegar a tener muchos transistores y varias etapas de amplificación, pero por lo regular basta con seis (6) transistores para lograr la amplificación de potencia aceptable. Este tipo de amplificadores permite lograr potencias elevadas y son los favoritos para su desempeño en el campo de la alta fidelidad.
En la actualidad los modelos discretos son por lo general amplificadores complementarios o cuasi-complementarios. Los amplificadores cuasicomplementarios pueden ser con transistores de salida NPN o PNP, no obstante pueden encontrarse eventualmente otras configuraciones. A continuación ahondaremos un poco en los amplificadores complementarios y cuasicomplementarios y daremos como ejemplo un amplificador híbrido, que usa un circuito integrado a la entrada, a manera de excitador, en vez del tradicional par diferencial. Lo hemos construido en las tres versiones diferentes.
Amplificadores Complementarios
Un amplificador complementario es aquel que en su etapa de potencia tiene un transistor de base positiva y uno de base negativa y trabajan como complementos. Es decir el transistor NPN se encarga de amplificar los semiciclos positivos y el PNP se encarga de los semiciclos negativos.
Entre los dos forman el ciclo completo de la onda senoidal.
La idea original del amplificador complementario fue presentada por H.C. Lin y desarrollada gracias a la GENERAL ELECTRIC CO y otras empresas de la época. Los amplificadores complementarios son los más comunes en el mercado de amplificadores de potencia. Su rendimiento es muy bueno y su fidelidad es aceptable, aunque no son los más limpios en sonido. A continuación explicaremos porque. Los transistores tienen una ganancia determinada por el fabricante. Esta recibe el nombre de hFE o Beta. Un transistor entre más potente, su beta es más bajo. Por ejemplo un transistor A1015 que es un transistor pequeño, tiene un beta aproximado de 180. En cambio un transistor 2SC3858 que es un transistor de gran potencia, tiene un beta aproximado de 30. Lo insólito es que si medimos el beta del transistor complementario del 2SC3858 , que es el 2SA1494, encontramos que mide más o menos 100. Esto es extraño, pero así es. El desempeño de un transistor NPN es mejor que el transistor PNP.
En conclusión: Como el transistor NPN tiene una respuesta diferente al PNP, al momento de cruce de onda, se genera una distorsión llamada Distorsión de cruce, que por mas que el diseño y la calibración de BIAS sea perfecta, existe esa distorsión. Quiero aclarar que no estoy diciendo que los amplificadores complementarios sean ruidosos, por el contrario son mas limpios que muchos amplificadores de integrados, pero si tienen mas ruido que los amplificadorescuasicomplementarios. Claro que estoy hablando de un ruido que solo puede ser escuchado por un experto en sonido o visto con el osciloscopio. Para el oído normal suenan perfecto.
Amplificadores cuasicomplementarios NPN
Se denomina amplificador cuasi-complementario aquel amplificador que tiene en su salida transistores de la misma polaridad para hacer, tanto los semiciclos positivos, como los semiciclos negativos.
En este caso presentamos un amplificador cuasicomplementario con transistores NPN. Tomamos el amplificador complementario y le hicimos unas pequeñas modificaciones, cambiando de sitio un par de resistencias y unas pistas. Básicamente lo que hay que hacer para convertir un amplificador complementario a cuasicomplementario NPN, es cambiando la resistencia de 0.22 ohmios que polariza el transistor PNP (R17). Esta resistencia se encuentra entre el emisor del transistor PNP y la salida. Al cambiar el transistor PNP por uno NPN, la resistencia pasa a estar entre el emisor del nuevo transistor y –Vcc. La base del transistor PNP iba al emisor del transistor impulsor TIP42. Ahora el transistor NPN lleva su base conectada al colector del TIP42 y la resistencia de 100 ohmios (R15), que estaba entre el emisor del TIP42 y la salida, ahora va entre el colector y –Vcc. Con sólo esos cambios ya tenemos un amplificador cuasicomplementario NPN.
Amplificadores cuasicomplementarios NPN
Ahora tenemos un amplificador cuasicomplementario con transistores PNP. Tomamos el amplificador complementario y le hicimos las mismas modificaciones que con el cuasi complementario NPN, pero en el semiciclo positivo, que era donde se encontraba el transistor NPN, el cual cambiamos por un PNP, para que los dos transistores queden PNP.
Lo que hay que hacer para convertir un amplificador complementario a cuasicomplementario PNP, es cambiar la resistencia de 0.22 ohmios que polariza el transistor NPN (R16). Esta resistencia se encuentra entre el emisor del transistor NPN y la salida. Al cambiar el transistor NPN por uno PNP, la resistencia pasa a estar entre el emisor del nuevo transistor y + Vcc.
La base del transistor NPN iba al emisor del transistor impulsor TIP41. Ahora el transistor PNP lleva su base conectada al colector del TIP41 y la resistencia de 100 ohmios (R14) que estaba entre el emisor del TIP41 y la salida, ahora va entre el colector y + Vcc. Con sólo esos cambios ya tenemos un amplificador cuasicomplementario PNP.
Conclusión A veces nos encontramos son un amplificador que nos parece muy bueno o simplemente se ajusta con las necesidades que estamos buscando y resulta que usa transistores de una polaridad que no conseguimos en el mercado local de nuestra ciudad. Otras veces simplemente encontramos transistores económicos de una polaridad distinta a la del amplificador que pensamos realizar. Por ejemplo a mi me sucedió que fui a comprar transistores NPN y me dijeron que los PNP me los dejaban mas económicos porque esos los compraban menos y tenían muchos guardados. En ese momento tomé la decisión de modificar el circuito para usar solo transistores PNP y pude hacer el amplificador que necesitaba, ahorrando unos cuantos pesos.
Otra gran ventaja de saber convertir un amplificador de complementario a cuasicomplementario, es el conocimiento que se adquiere en el proceso de modificación del circuito impreso. Al final de este artículo encontrará un archivo PDF que muestra el mismo amplificador en las tres configuraciones. Ahora seguiremos con el tema de los amplificadores.
OTRAS VERSIONES DE AMPLIFICADORES Aparte de los amplificadores híbridos formados por transistores e integrados, existen en la actualidad, versiones de amplificadores de válvulas o tubos de vacío, los cuales aventajan al transistor, tanto en manejo de potencias muy altas, como en el hecho de que no producen recorte de señal, ya que sus elementos están polarizados de manera adecuada para que esto no suceda, de esa manera la válvula nunca alcanza la saturación. Cuando la señal se recorta en los amplificadores transistorizados, se produce un sonido ronco y muy desagradable al oído. Esto no pasa con las válvulas. Deberemos comentar también que los transistores son muy fieles en la reproducción de los sonidos, eso trae problemas que hace que su sonido no sea agradable al oído de muchos músicos, sobre todo para los guitarristas de rock o metal, sin embargo los amplificadores a válvulas, al no ser tan fieles para amplificar ciertas señales, tienden a redondear los picos o las esquinas de las señales a amplificar, provocando con ello sonidos más agradables al oído, de manera que un amplificador a válvulas no suena tan chillón (agudo) como sucede con los amplificadores a transistores. Razón por la que son los preferidos por los profesionales de la música sobre todo en amplificadores de bajos y guitarras. Si bien las válvulas tienen el inconveniente de tener una impedancia muy alta a la salida que obliga a utilizar transformadores pesados y grandes a la salida, estos pueden eventualmente introducir distorsión, ya que su respuesta de frecuencia es limitada, y esto es causa que no reproduzcan la señal original tan fielmente, siendo esto otra razón de su sonido agradable. Algunos amplificadores son básicamente a transistores, mas sin embargo en la etapa de preamplificación utilizan válvulas de vacío. A este tipo de amplificadores se les llama “Híbridos”. Existe otra configuración que son los amplificadores clase D.
Estos operan con pulsos de muy altas frecuencias modulados, en ancho (PWM), son ligeros, compactos y muy potentes. No obstante el empleo de pulsos de alta frecuencia acarrea problemas de ruidos, porque los pulsos vinculan un número muy grande de armónicos, lo que no ocurre al trabajar con las señales senoidales, como en el caso de los amplificadores cuasi-complementarios. No obstante esto ya ha sido superado por los fabricantes y hoy en día se encuentra una gran variedad de integrados clase D de muy altas potencias y que además trabajan con bajos voltajes, haciéndolos ideales para los amplificadores utilizados en los automó viles.
AMPLIFICADORES DE POTENCIA (parte 5) <<< 1 2 3 4 5 6 >>>
AMPLIFICADOR AMPLIABLE EN POTENCIA En la página anterior estudiamos una de las grandes ventajas de los amplificadores transistorizados, que es que un mismo amplificador complementario, se puede convertir a cuasi-complementario, con sólo transistores positivos, como con sólo transistores negativos. La otra gran ventaja es la posibilidad de aumentar su potencia con sólo colocar más transistores en paralelo. Esto permite que un amplificador de 100W pueda ser expandible en su potencia hasta 1000W o más. Lógicamente no es sólo colocar más transistores y listo, hay que hacer varios ajustes en el circuito, que pueden ser desde cosas básicas como cambiar el transformador por uno de más potencia, hasta cambiar algunos transistores y condensadores de la etapa excitadora, por unos más robustos, y en algunos casos se hace necesario reforzar el circuito impreso.
Hay otros puntos a tener en cuenta y es el modelo de transistor que usamos, la ganancia del amplificador y en si el diseño del mismo. Eso depende del modelo de amplificador. Así que dependiendo del tipo de circuito, también se sabe que tanto puede ser ampliable en potencia. En este caso veremos un amplificador de gran rendimiento que no tiene problemas ni cambios que hacer al aumentar su potencia. Para entender mejor el proceso de aumentar la potencia de un amplificador, vamos a tom ar como ejemplo el amplificador cuasicomplementario con par diferencial a la entrada y zener de estabilización ue conocemos popularmente como "la espectrum". Este amplificador tiene 4 etapas de am plificación, antes de entregarla a los transistores de salida.
En nuestra sección de proyectos ya tenemos publicada una versión de este amplificador con sólo 4 transistores a la salida. Lo puede buscar con el nombre de Amplificador monofónico de 250 watts.
La potencia del amplificador depende de: la calidad y potencia de los transistores, la cantidad y calida de los transistores y la alimentación disponible.
Esta versión del amplificador está diseñada para permitir aumentarle bastante su potencia. Por esto no trae la fuente ni los transistores de salida incluidos en la misma tarjeta, A esto se le llama una tarjeta “ Booster Ampliable”.
Diagrama del amplificador en configuración cuasi-complementaria
En el diagrama eléctrico podemos observar que es un amplificador con par diferencial a la entrada. El par diferencial consiste en dos transistores PNP, en este caso A1015, unidos por sus emisores, y por ese mismo punte de unión reciben un voltaje. Este par diferencial tiene un refuerzo formado por otro par de transistores A1015, que van unidos por sus bases. Además toda esta primera etapa está alimentada por un diodo zener y un transistor C2229 que forman una etapa de regulación muy estable. 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 encontramo s 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.
NOTA: Los voltajes que se muestran en los recuadros verdes son los voltajes que debemos medir al mom ento de conectarlo por primera vez. Estos deben ser tal cual, de lo contrario esto indicaría que hay un problema en el ensamble o un componente defectuoso y no se puede conectar el parlante hasta no solucionar el problema.
A continuación veremos el proceso teórico y técnico para lograr un amplificador de gran potencia. Lo primero al momento de hacer un amplificador como este, es saber que transistores vamos a usar.
Eso depende de la potencia que queramos y de nuestro presupuesto. En este caso usaremos como ejemplo el famoso transistor 2N3055 . Este transistor tiene una potencia máxima de 115W pico. Esto quiere decir que realmente podemos o btener con este transistor una potencia real de 60W, ya que todo transistor sólo puede ser forzado a entregar un 60% o 70% de su potencia máxima, esto varía un poco dependiendo del transistor. Ahora bien, estos 60W tampoco son una potencia tan real, porque u n amplificador con dos transistores 2N3055 , en configuración cuasi-complementaria no entregan 120W. Realmente entregan 60W entre los dos transistores, ya que cada uno hace medio ciclo de la onda de salida. Así que cada par de transistores adicionales aumentarán la potencia en 60W. Si queremos lograr una potencia de 100W por cada dos transistores debemos usar los MJ15003. En este caso hemos colocado 10 transistores 2N3055 en paralelo, son 5 por cada semiciclo, por lo tanto tendremos una potencia de 300W en total. Si usáramos los transistores MJ15003 lograríamos una potencia de aproximadamente 650W. Otro punto a tener en cuenta es la calidad de estos transistores y la carga en los parlantes que vayamos a usar. Es importante medir el hFE de los transistores, para estar seguros de que son originales. Para esto lea nuestro artículo de Manejo del multímetro . Un buen transistor de potencia tiene un beta o hFE bajo. En el caso del 2N3055 o del MJ15003, el hFE debe estar entre 25 y 50. Habiendo verificado que nuestros transistores son o riginales y de buena calidad, debemos determinar que carga de parlantes vamos a utilizar. Por ejemplo: si tenemos un parlante de 8 ohmios, será suficiente con que el amplificador tenga dos transistores. Pero si vamos a usar un parlante de 4 ohmios o dos parlantes de 8 ohmios en paralelo, debemos usar un mínimo de 4 transistores. Así a medida que aumentemos la carga, debemos aumentar la cantidad de transistores en el amplificador.
Recordemos que cuando se hable de aumentar la carga de parlantes, la impedancia baja y por consiguiente pasa más corriente por los transistores de potencia. Entre mas parlantes, el número de ohmios será mas bajo.
Un amplificador monofónico con 8 transistores y un voltaje de +/-50VDC, puede soportar una carga de 2 ohmios, siempre y cuando los transistores sean de buena calidad. Esto también quiere decir que entre más transistores, mayor manejo de corriente y por lo tanto se pueden colocar más parlantes. No obstante también va ligado al voltaje que usemos. Si el voltaje es muy alto y hay pocos transistores, la impedancia no puede bajar mucho, pero si el voltaje es bajo y pocos transistores, se puede bajar la impedancia. En fin, hay que analizar las tres cosas, voltaje, cantidad de transistores y carga a la hora de hacer un amplificador de gran potencia.
Otro punto importante es que la potencia de salida siempre estará relacionada directamente al voltaje y a la corriente que proporcione la fuente de alimentación. Obviamente también a la carga (impedancia de los parlantes), además se debe considerar las pérdidas que existen en la fuente rectificadora, sin olvidar que debemos tener un margen por encima, que asegura que el transformador no se va a calentar demasiado cuando el amplificador esté en su mayor exigencia.
NOTA: Los transistores 2N3055 No soportan un voltaje mayor a los +/-50VDC. Esto equivale a un transformador de 36+36 voltios AC. Así coloque muchos transistores de estos en paralelo, el voltajeDC máximo siempre deberá estar por los +/-50VDC. Lo que se puede es colocar mas parlantes en paralelo a medida que se aumenten los transistores y obviamente también se debe ir aumentando los amperios del transformador.
Si nuestro presupuesto da para comprar transistores mas costosos como los 2SC3858 o los MJL21194 , se puede subir el voltaje a medida que e coloquen mas transistores. Esto da un aumento de potencia considerable, aunque siempre revise la hoja de datos (datasheet) del transistor que piense usar. En el caso del MJ15003, el voltaje máximo son +/-60VDC.
A continuación tenemos una tabla de la cantidad de transistores, voltaje máximo e impedancia mínima que puede ser utilizada con transistores 2SC5200 , 2SC3858 , 2SC2922, y MJL21194.
Cantidad de Transistores
Voltaje Máximo
Impedancia Mínima
2
+/-55V DC
8 Ohmios
4
+/-60V DC
8 Ohmios
6
+/-65V DC
4 Ohmios
8
+/-70V DC
4 Ohmios
10
+/-75V DC
4 Ohmios
12
+/-80V DC
2 Ohmios
14
+/-85V DC
2 Ohmios
16
+/-90V DC
2 Ohmios
24
+/-92V DC
2 Ohmios
32
+/-95V DC
1 Ohmios
Es importante recalcar que el voltaje mostrado en la tabla es el voltaje DC o corriente continua. Esto quiere decir que es el voltaje ya rectificado que sale de la fuente hay que aclarar que todo voltaje AC al ser rectificado se eleva en 1.4141 veces. Entonces, para saber que voltaje debe tener el transformador y así lograr el voltaje indicado al salir de la fuente, tenemos que dividir el voltaje DC por 1.4141 que es raíz de 2. Ejemplo: Si necesitamos que el voltaje DC sea de +/-70V DC, debemos tener en cuenta que son 140 voltios de extremo a extremo al salir de la fuente. Entonces tenemos que:
140VDC / 1.4141 = 99 voltios AC.
Esto es voltaje total. Pero como necesitamos fuente simétrica, serian 49.5+49.5 voltios AC También se puede conseguir este mismo valor dividiendo el voltaje medio. 70V DC / 1.4141 = 49.5V AC. Ahora ahondemos en la fuente de alimentación. Esto es básicamente el transformador, un puente de diodos y los condensadores. El transformador debe tener una potencia de por lo menos un 30% por encima de la que queremos obtener del amplificador. Si el transformador tiene 200W, pues no podemos sacar 300W del amplificador. Necesitamos un transformador de al menos 400W o más. Recordemos que la potencia del transformador está determinada por varios factores, como son: el tamaño del núcleo, el voltaje que entrega en el devanado secundario y el amperaje. Este último está ligado directamente con el calibre del alambre que usemos. Si desea aprender a construir transformadores, estudie nuestro artículo de cálculo de transformadores. EL Transformador que construimos esta vez, es un transformador con TAP central de 36+36V AC, Es decir que tiene tres cables de salida. Entre los extremos mide 72V AC y entre cada extremo y el cable del centro mide 36 voltios AC. La corriente debe ser de 12 amperios como mínimo, en este caso entrega 13 am perios.
Hemos usado un núcleo de 3.2 centímetros, por 11.5 cm. Como no se consiguen en el mercado formaletas de ese tamaño, fue necesario unir dos form aletas de 3.2 x 6. Al hacer el corte de las formaletas se pierde 1 /2 centímetro. Por eso nos dio 11.5 cms de largo.
Para los países que tienen un voltaje de la red pública es de 120 voltios, es necesario enrollar en el devanado primario 137 vueltas de alambre calibre 16. Para el secundario son 84 vueltas de alambre calibre 12. Hay que detenerse en la mitad de vueltas (42 vueltas) del secundario para soldar un cable de salida que hará de TAP central y luego enrollar la otra mitad de vueltas de alambre. Otra opción es enrollar el alambre en doble y sólo enrollar 42 vueltas.
Para los países que tiene un voltaje de 220 en la red pública, es necesario dar 251 vueltas en el devanado primario con alambre calibre 19. El devanado secundario es igual en ambos casos.
NOTA: El transformador aquí presentado es solo para usar con los 10 transistores 2N3055 .
Si piensa usar unos transistores que soporten más voltaje, debe calcular el transformador a su medida. Cuando vamos a alimentar un amplificador de gran potencia y además que trae muchos transistores, se requieren bastantes amperios. Además para mantener un voltaje estable cuando la carga es muy alta, el filtrado debe ser bastante grande también.
Para estos casos se debe construir una fuente simétrica con un puente de diodos de 50 amperios y varios condensadores en paralelo. La fuente que hicimos para este amplificador tiene tres condensadores por semiciclo, para un total de 6 condensadores. Esto hace más económica la fuente, ya que un condensador de 15.000 uF cuesta más que 3 condensadores de 4700 uF. Además se reduce altura, que muchas veces nos obliga a usar cajas o gabinetes muy altos.
Esta es una gran opción de fuente simétrica de alto rendimiento.
Como calcular la potencia de un amplificador de transistores Recordemos que hay dos clases de amplificadores, los que tienen como com ponente principal circuitos integrados y con transistores. Los amplificadores con integrados tienen una potencia determinada por el fabricante del circuito integrado. Como un integrado contiene en su interior muchos transistores y otros componentes muy pequeños, No es posible saber que corriente y voltaje resiste sin revisar la hoja de datos (datasheet), dada por el fabricante. Así que para saber que potencia entrega u n amplificador con circuitos integrados, debemos descargar de Internet la hoja de datos del integrado y medir el voltaje y am peraje del transformador. Tengamos en cuenta que la fuente de un amplificador es la potencia disponible y no necesariamente equivale a la potencia que entrega el amplificador en sus salidas. Los otros amplificadores, formados en su estructura principal por transistores, Pueden ser analizados de manera mas detallada que los amplificadores de integrados. A los amplificadores con transistores se les llama amplificadores discretos.
Comenzaremos por explicar algunos conceptos básicos.
Potencia: En audio, la palabra potencia se define como el nivel de volumen de audio que un am plificador puede entregar a la salida. Esto va ligado a la impedancia del parlante, nivel de distorsión y lógicamente a un rango de frecuencias determinado, ya que entre más bajas son las frecuencias, mas esfuerzo tiene que hacer el amplificador para reproducirlas. El amplificador le suma un voltaje a la señal de entrada, produciendo una potencia eléctrica que el parlante convierte en potencia acústica. Existen varias formas de medir o calcular la potencia de un amplificador de audio. La más común es la ley de Watt, que sirve para hallar la potencia disponible.
La potencia disponible es aquella potencia que está en capacidad de entregar la fuente de alimentación. Esta es el resultado de multiplicar el voltaje por la corriente que entrega por la fuente. Ejemplo:
W = V x I Potencia = voltaje x amperaje Para el ejemplo usaremos una fuente que entrega 10 amperios y +/- 70 voltios DC, que quiere decir que tiene TAP central. A esta fuente se le llama fuente simétrica.
Debo aclarar que no uso como ejemplo la fuente que usé en el amplificador de muestra, ya que esta entrega sólo +/50 voltios DC, que es lo máximo que soportan los transistores 2N3055 y quiero hacer el ejemplo con un transistor que soporte mas voltaje como el 2SC5200.
Tenemos que 70V + 70V = 140V de extremo a extremo de la fuente, multiplicado por los 10 Amperios = 1400W. Este cálculo es para un amplificador monofónico. En el caso de tener un amplificador estereo, la potencia será de 700W por canal.
La potencia entregada por el amplificador al parlante, no puede ser mayor a la potencia entregada por la fuente de alimentación.
Esto quiere decir que así aumentemos la cantidad de transistores a 8, 12, 16, 24 ó más, NUNCA se aumentará la potencia por encima de la potencia que entrega la fuente de poder.
Teniendo en cuenta esto, podemos calcular la potencia de salida del amplificador, a partir del número de transistores y la potencia de cada uno por independiente.
Lo primero que debemos hacer es descargar de Internet la hoja de datos (datasheet) que provee el fabricante del transistor. Para esto basta con escribir la referencia del transistor y seguido la palabra datasheet. El buscador nos enviará a una página donde se encuentra esta hoja de datos en form ato de archivo PDF.
Después de descargar la hoja de datos, viene aprender a leerla e interpretarla correctamente. Reitero que usaremos como ejemplo el transistor 2SC5200 (NPN) ya que permite un voltaje mas alto que el 2N3055 que usamos en el amplificador de muestra.
2SC5200 TOSHIBA TRANSISTOR SILICON TRIPLE DIFFUSED TYPE Power Amplifier Applications Complementary 2SA1943 Recommended for 100W High Fidelity Audio Frequency Amplifier Output Stage.
MAXIMUM RATINGS (TC = 25°C):
Caracteristic
Symbol
Rating
Unit
Collector–Base Voltage
VCBO
230
VDC
Collector–Emitter Voltage
VCEO
230
VDC
Emitter–Base Voltage
VEBO
5
V
Collector Current
Ic
15
A
Base Current
Ib
1.5
A
Collector Power Dissipation (Tc = 25°C)
PC
150
W
Operating Junction Temperature
Tj
150
°C
Storage Temperature Range
Tstg
-55~150
°C
Como se observa en la tabla, el voltaje máximo entre emisor y colector, que es de 230V, por lo tanto el voltaje de la fuente no debe exceder este voltaje y por seguridad tampoco debe estar muy cerca de este. Lo ideal es usar una fuente que entregue el 60% del voltaje máximo de los transistores. En este ejemplo tendríamos que una fuente de entre 120V (+/-60V) y 140V (+/-70V), sería perfecto. También debemos tener en cuenta que la corriente máxima de colector ( Collector Current) que soporta este transistor es de 15 Amperios. Esta corriente es corriente de pico, quiere decir que el transistor puede llegar a soportar picos de 15 amperios por tiempos muy cortos que no superen un segundo de duración, por lo tanto este dato no se puede tomar como referencia para calcular la potencia del transistor, ya que si fuera así, estaríamos hablando de que 15A por 120 vo ltios de fuente de extremo a extremo, serian 1800 Vatios de potencia, y esto es imposible de lograr con un transistor.
Al seguir leyendo la hoja de datos (datasheet) encontraremos otro dato que dice disipación de potencia máxima (Collector Power Dissipation). El valor es de 150W.
Esto quiere decir que debemos calcular la corriente de colector, teniendo en cuenta de no superar los 150W. No debemos olvidar que un transistor no debe ser forzado a trabajar con el 100% de su potencia, lo ideal es ponerlo a trabajar al 70% de su potencia máxima, que en este caso equivale a unos 100W aproximadamente. Si queremos obtener más potencia por cada transistor, debemos usar transistores mas potentes como el 2SC2922, el 2SC3858 0 el MJL21194 que entrega hasta 200W máx. Como nuestra fuente de ejemplo es de +/- 70 Voltios y una potencia de 700W por canal, podemos colocar varios transistores, en este caso, para el ejemplo colocaremos 8 transistores en paralelo, es decir; 4 en +Vcc, y 4 en –Vdd. Ahora para saber la corriente de colector que realmente soporta cada transistor, debemos dividir su potencia entre el voltaje medio: I = W/V tenemos que, 100W/70V = 1.4 Amp.
Ahora, para saber cuantos transistores podemos colocarle al amplificador, debemos dividir los amperios que entrega el transformador por 1.4 Amp, que es el consumo de cada transistor. Recordemos que la cantidad de transistores que podemos colocar, depende de los amperios que entregue el transformador. En este caso nuestro transformador es de 10 amperios. 10/1.4, serian 7.14 transistores, que lo redondeamos a 8. Si queremos colocar más transistores o hacer dos etapas monofónicas, cada una con 8 transistores, para de esta manera lograr un amplificador estereo, debemos usar un transformador que entregue más corriente ( I).
Ahora, debemos diferenciar la potencia disponible o de alimentación, que según nuestro ejemplo es de 1400W y otra cosa es la potencia de salida. Para saber la potencia de salida, debemos av eriguar el voltaje
W= VAC ² /R El voltaje del que hablamos en esta fórmula, es el voltaje AC, presente en la salida a parlante o parlantes y R es la resistencia del parlante o lo parlantes. Ejemplo: Colocando el amplificador a volumen máximo sin distorsión y se mide la salida usando el multímetro en la escala de voltaje AC. Si por ejemplo obtenemos 50 Voltios, y tenemos 2 parlantes de 8 ohmios conectados en paralelo en la m isma salida, tenemos que: 50V al cuadrado = 2500 y dos parlantes de 8 ohmios en paralelo dan una impedancia de 4 ohmios, esto es igual a W = 2500/4. El resultado de esta operación es 625W de potencia, menos el 20% de perdidas, tenemos una potencia de 470W salida RMS.
Un dato importante es que por lo regular el voltaje que obtenemos a la salida del amplificador en máximo volumen sin distorsión, normalmente coincide con la mitad del voltaje total del transformador Es decir: si el transformador es de 55x55VAC, entonces serán 55 voltios aproximadamente los que obtendremos a la salida a parlante.
AMPLIFICADORES DE POTENCIA (parte 6) <<< 1 2 3 4 5 6 >>> Un detalle importante que debemos tener en cuenta está relacionado con la etapa que maneja a los transistores de salida, ya que si aumentamos la cantidad de transistores de salida, es lógico que los requerimientos a los mismos se incrementen. Supóngase que para trabajar un transistor requiere 0.5 amperios. es lógico que si incrementamos a 2 la cantidad de transistores el transistor impulsor que los maneja deberá entonces ser capaz de entregar 1 amperio. y así sucesivamente. Ello tendrá como consecuencia que si no se cambian los transistores que proveen la corriente a la base de los transistores de salida, estos se podrán sobre calentar e incluso dañar por lo que será necesario cambiarlos por unos que puedan manejar mayor potencia, en algunas ocasiones podría bastar el aplicar disipadores de calor apropiados a los mismos, pero si la exigencia de la etapa de salida es mayo r será completamente necesario reemplazarlos. Por esta razón una buena tarjeta Boster Ampliable ya viene con transistores de potencia suficiente, como para moverhasta 24 o mas transistores sin problema alguno.
En algunos casos, cuando la cantidad de transistores supera los 32, se pueden usar como impulsores unos transistores de potencia como los 2SC5022 o 2SC385 8. Así estos trabajan descansados.
Montaje de la tarjeta amplificadora Colocando los transistores en los disipadores Después de tener armada la tarjeta amplificadora, teniendo en cuenta de colocar cada componente en el sitio y posición correctas y habiendo construido el transform ador y la fuente, debemos preparar los transistores de salida colocándolos en los disipadores, tal como se aprecia en la fotografía.
Los transistores deben estar bien aislados del disipador con aislantes de mica, con pasa muros y bien ajustados con sus respectivos tornillos y tuercas.
Luego debemos unir todos los colectores con cable de buen calibre, puede ser un calibre 16 según la tabla AWG. Claro está que esto es para menos de 16 transistores. Si piensa colocar 24 transistores o más, lo mejor es que use un cable calibre 14 o 12.
Cada base de cada transistor lleva su propia resistencia de protección. Esas resistencias pueden ser desde 1 ohmio hasta 4.7 ohmios, no use de impedancias mas altas de lo contrario se pierde ganancia el amplificador.
Los emisores también llevan su resistencia de polarización. Estas deben ser de entre 0.22 y 0.33 ohmios y a 5 vatios. Luego de colocar las resistencias se unen con un cable tal como se aprecia en la fotografía. Lo que hemos hecho es colocar los transistores en paralelo, convirtiendo los 5 transistores en uno solo que soporta muchos más amperios.
Amplificadores cuasicomplementarios NPN Las conexiones entre la tarjeta amplificadora y los transistores es sencilla, pero de mucho cuidado. Hay que tener en cuenta que el amplificador que presentamos aquí es cuasicomplementario NPN. Es decir que todos los transistores son NPN. En el archivo PDF que podrá descargar al final de este proyecto se encuentran las tres configuraciones, complementario, cuasicomplementario NPN y cuasicomplementario PNP y cada una se conecta diferente.
La tarjeta boster tiene 6 terminales de salida que son: +Vcc = Alimentación positiva +B = salida a las bases de los transistores del semiciclo positivo. Salida = Salida a parlantes. -B = Salida a las bases de los transistores del semiciclo negativo. -Vcc = Alimentación negativa. GND = tierra o común. Cuando tenga terminado el amplificador, revise muy bien cada conexión y haga las mediciones pertinentes. Recuerde que siempre que se va a encender un amplificador por primera vez, se debe usar una serie con un bombillo incandescente de 100W.
Las mediciones de este amplificador las puede estudiar en el artículo del Amplificador mono de 250W que se encuentra en nuestra sección de proyectos.
Si todo está correcto puede probarlos con un parlante de al menos 300W y luego de revisar la temperatura puede comenzar a colocar más parlantes.
Otra recomendación importante es colocar un ventilador que mantenga fríos los disipadores.
Si desea hacer este amplificador estereo, solo es hacer dos etapas amplificadoras idénticas y las alimenta con la misma fuente. Claro que hay que tener en cuenta que para dos etapas el transformador debe ser del doble de amperios. a salida a parlantes permite conectar vario s parlantes, dependiendo de la cantidad de transistores que utilice. Personalmente estoy trabajando este amplificador con 4 parlantes de 500W max a 8 ohmios y 15 pulgadas y dos cornetas de 350W. La verdad es que suena bastante fuerte a pesar de que el voltaje no es muy alto por usar transistores 2N3055. Esta es una alternativa bastante buena y económica. Esperamos que este proyecto y la parte teórica aquí expuesta sea de gran utilidad para todos.
