CARRERA DE INGENIERIA ELECTRÓNICA EN CONTROL ELECTRÓNICA I INFORME PREAMPLIFICADOR DE AUDIO Nombres: Marco Luna Maicol Suntasig
Profesora: Ing. Margarita Medina
1. TEMA: PREAMPLIFICADOR DE AUDIO 2. OBJETIVOS: General:
Conocer en la práctica las características de los circuitos amplificadores mediante la elaboración de un preamplificador de audio para aplicar los conocimientos adquiridos.
Específicos:
Realizar el diseño de un preamplificador de audio calculando cada uno de sus componentes. Utilizar la configuración emisor común de un transistor como amplificador de voltaje. Analizar los resultados verificando en el laboratorio el valor de la ganancia de voltaje.
3. MARCO TEÓRICO PREAMPLIFICADOR PREAMPLIFICADOR DE VOLTAJE Un preamplificador es un tipo de amplificador electrónico utilizado en la cadena de audio, durante la reproducción del sonido. Como en todo amplificador, la finalidad de un preamplificador es aumentar el nivel de la señal y, para ello, actúa sobre la tensión de la señal de entrada. Cuando las señales salgan del preamplificador, habrán alcanzado el nivel de línea, estandarizado en los 0dB. El preamplificador se encarga de nivelar la tensión eléctrica que le llega de las distintas fuentes de audio (cada equipo tiene una tensión de salida diferentes), para luego, una vez igualadas, enviarlas, como señal de entrada, a otro equipo (generalmente, una etapa de potencia). La relación entre nivel de salida y de entrada es la ganancia. Así, la ganancia, expresada en decibelios, indica el grado de amplificación de una señal. Algunos equipos preamplificadores poseen controles que les permiten, además de regular la tensión de salida, regular el tono, el balance, etc. Además de reforzar la sonoridad con bajo volumen (loudness).
Cálculo de un preamplificador en emisor común El esquema completo de la etapa será el siguiente:
Las características que vamos a exigirle a nuestro preamplificador (o sea, las especificaciones que vamos a considerar para el cálculo) son una determinada ganancia en tensión (Av), una impedancia de salida (Zs) concreta y una tensión de alimentación (Vcc). A lo largo del cálculo del circuito tendremos que echar mano de alguna que otra de las características aquí mostradas.
Cálculo de la polarización del transistor: El circuito de polarización del transistor está incluido en el circuito original del preamplificador. Si dibujásemos únicamente dicho circuito de polarización obtendríamos lo siguiente:
Pues bien, el valor de R 3 debe ser igual a Zs. Ello se debe a que el circuito equivalente para C.A. de la malla de colector sería (aproximadamente) el siguiente:
donde R NT es la resistencia interna del generador de corriente constante, resistencia que tiene un valor ideal igual a infinito. Este circuito equivalente se transforma, por el teorema de Thevenin, en este otro:
En este último circuito equivalente se ve claramente que debe ser Zs=R 3. Así, si deseamos una Zs=10KW ese debe ser también el valor de R 3. La tensión de alimentación del circuito se ha elegido de 9V ya que se puede obtener tanto con una fuente de alimentación como con una pequeña pila. La tensión de R 4 más la tensión de R 3 será igual a la otra mitad de la tensión de alimentación recordando las leyes de Kirchoff, en concreto la ley de las mallas, la que dice que la tensión total aplicada se reparte entre los elementos de la malla [que en este caso la componen R 3, R 4 y colector-emisor del transistor. Como conocemos el valor de Av (es un dato del proyecto) y, además, también sabemos el valor de R 3 podemos hallar el valor de R 4. Sigamos. Si hacemos la aproximación de que I C=IE, el valor de la corriente de colector de polarización se calcula de la siguiente forma:
Con este valor de I C la tensión aproximada de la resistencia de emisor, V R4, vendrá dada por la siguiente expresión (¡nuevamente la Ley de Ohm!):
Una vez conocida IC podemos empezar a observar las gráficas de más arriba. Primeramente podemos averiguar el valor aproximado de la ganancia en corriente para corriente continua (h FE) a 0,1ºC, . Aunque la polarización que estamos usando para el transistor independiza los valores de polarización de la malla de colector respecto a h FE, nos hará falta este valor para una estimación del valor de la corriente de base. Veremos esto con un poco más de detalle más adelante. Nuestro transistor está disipando una potencia dada por:
Si miramos la curva de degradación de la potencia veremos que nuestro transistor no tendrá ningún problema referente a un exceso de disipación de potencia, incluso si trabaja en un entorno de temperatura elevada. Continuando con el cálculo de la polarización, la corriente de base del transistor se puede calcular de la siguiente forma:
El tipo de polarización que estamos empleando para el transistor requiere que el divisor de tensión formado por R 1 y R 2 sea estable, en el sentido de que la tensión de las resistencias no se altere al aplicarle una carga (que en este caso correspondería a la base del transistor). Para conseguir esto, al menos aproximadamente, la corriente que circule por R 2 debe ser mucho mayor que la corriente que consuma la base del transistor. Nosotros impondremos que la corriente de R 2 sea diez veces mayor que la I B, por ejemplo:
La tensión en extremos de R 2 será la misma que la de base-emisor del transistor más la de R 4 (estoy aplicando la ley de las mallas de Kirchoff, que también se puede enunciar como que la suma de las tensiones aplicadas a una malla y de las caídas de tensión en los elementos de esa malla debe ser cero):
Pues bien, ahora ya podemos hallar el valor que debe de tener la resistencia R 2 por medio de la ley de Ohm:
Sólo nos restaría calcular el valor de R 1 para completar el circuito de polarización del transistor. ¿Qué necesitaremos? Pues conocer su tensión y el valor de la corriente que la atraviesa. Antes de pasar al cálculo de los condensadores de acoplo, decir que este circuito de polarización recibe el nombre de universal o autopolarización. Esto es así debido a que la corriente de base se ajusta automáticamente al valor adecuado para que I C y las tensiones de la malla de colector sean las calculadas (recuerde que cuando se calculo la IB ya se advirtió que se trataba de una estimación). Cuando se monta el circuito y se miden todos sus parámetros de polarización todo coincide con lo calculado... todo salvo el valor de IB. Este efecto de "autoajuste" de la corriente de base se debe al divisor de tensión de base, que se ha calculado para que sea estable, es decir, independiente del valor de IB.
Cálculo de los condensadores: Para el cálculo de los condensadores hay que ceñirse a la siguiente regla: la reactancia capacitiva de un condensador de acoplo debe ser diez veces más pequeña que la impedancia correspondiente, de entrada o de salida, a la frecuencia más baja con la que el circuito vaya a trabajar.
Últimos detalles: Por último, y una vez que el circuito está calculado, un par de comentarios referentes al funcionamiento del circuito. Nosotros hemos calculado su valor de tal forma que la señal de frecuencia más baja con la que se vaya a trabajar (20Hz) pase sin problemas. Pero esto no quiere decir que no
puedan pasar frecuencias más bajas. De hecho, lo hacen. Por la parte alta del ancho de banda la limitación la imponen las capacidades parásitas del transistor.
4. CÁLCULOS Potencia del parlante= 0,5 Watts Para calcular el voltaje:
√ √
Como son valores RMS, hacemos:
Por lo tanto:
Utilizamos un transistor con las siguientes características:
Además tenemos que la frecuencia (en audio), tiene un rango de 20 Hz a 20 kHz.
Cálculo:
Analizamos el diagrama de voltajes:
De este gráfico podemos determinar las siguientes condiciones para nuestro diseño: 1. 2. 3. 4.
Para el diseño: I c ( Rc || R L ) Vop V RC
RC V RC
Vop Rc || R L RC
Rc || R L
Vop
De este planteamiento podemos tener 3 condiciones, las cuales analizaremos: a ) RC RL b) RC RL c) RC RL
a)
RC
220
V RC
220 220 || 2,2k
(2,83 V )
Para una tolerancia en las resistencias del 20% multiplicamos por 1.2
I C
V RC RC
3,74 V 220
17 mA
b)
RC V RC
22 k 22k 22 k || 2,2 k
(2,83 V )
Para una tolerancia en las resistencias del 20% multiplicamos por 1.2
V RC
I C
c)
RC
37,35 V 22k
RC
1,7 mA
2,2 k
V RC
2,2k 2,2 k || 2,2k
(2,83V )
Para una tolerancia en las resistencias del 20% multiplicamos por 1.2
I C
V RC RC
6,79 V 2,2k
3,08 mA
De estas opciones escogemos la tercera, ya que en la primera la corriente Ic es muy alta, y en la segunda, el voltaje es muy alto. La mejor opción es la tercera ya que se equilibra la corriente y el voltaje. Por lo tanto:
Calculamos la potencia:
Por lo tanto trabajaremos con una resistencia de 0,25W I C
3,08mA
Analizamos la ganancia:
() Este valor de resistencia no existe en el mercado; tenemos de 120 y 150Ω.
Para saber cuál es el correcto; vamos a hacer el siguiente análisis:
(Ya que los valores son muy aproximados)
Tomando en cuenta la estabilidad térmica del transistor tenemos:
Para que
Ya que:
sea constante y no dependa de la estabilidad térmica :
Escogemos un para no tener problemas con la estabilidad térmica del transistor y no se recorte. Recalculamos:
Recordando que quedo pendiente escoger el valor de , de acuerdo con las ecuaciones obtenidas, concluimos que el valor de la resistencia debe ser la mayor aproximación, en este caso 150Ω, ya que incrementa y reduce la posibilidad de recorte.
Calculamos la potencia:
Por lo tanto trabajaremos con una resistencia de 0,25W Analizamos:
Nuevamente, tenemos que escoger un valor comercial, entre 470Ω y 560Ω.
Escogemos en este caso la más aproximada y para una mayor ganancia:
Calculamos la potencia:
Por lo tanto trabajaremos con una resistencia de 0,25W Comprobamos:
Ya que sí cumple la condición, seguimos con el cálculo. Otro parámetro que debemos garantizar es que la amplificación no dependa de
Trabajaremos con el Beta mínimo con el fin de no tener complicaciones en cuanto a los recortes
Vamos a escoger una resistencia de 2,2 k con el fin de maximizar la corriente y evitar problemas con el
Calculamos la potencia:
Por lo tanto trabajaremos con una resistencia de 0,25W
Por la tolerancia:
(Este valor se aproxima a 6 por lo que subiremos un poco el voltaje)
Finalmente calculamos Vcc:
Calculamos
Vamos a escoger una resistencia de 10 k con el fin de maximizar la corriente y evitar problemas con el Calculamos la potencia:
Por lo tanto trabajaremos con una resistencia de 0,25W
Cálculo de Capacitores: Haremos un primer cálculo y luego regularemos los capacitores de acuerdo a la salida de la señal. En general:
Calculamos Zin
Para el capacitor de la base:
Voltaje en el capacitor: V=0,374 V (ya que es el pico de entrada) En este caso usaremos uno de 25V Para el capacitor del Colector:
Voltaje en el capacitor De la simulación
V=11,750 V En este caso usaremos uno de 25V
Capacitor del emisor
Voltaje en el capacitor
V=1,896 En este caso usaremos uno de 25V
Polarización Vamos a comprobar que los valores obtenidos, no afecten el funcionamiento de nuestro amplificador: En este circuito hemos medido
con el cual trabaja y el valor fue de 30(min)
1. Determinación del punto de operación (Q):
En continua:
V=2,5 V
V=3,202 V
V=9,178 V
V=6,677 V
Señal de Salida
Con este valor:
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Se debe conseguir una corriente de base pequeña, para que la ganancia de voltaje que se puede obtener con el amplificador sin que se sature el transistor, sea alta. Se cumplieron las condiciones necesarias para obtener amplificación de voltaje y se representaron en el diagrama de voltajes consiguiendo que no se produzcan recortes. Realizar un correcto diseño del preamplificador implica asegurarse de escoger el mejor tipo de polarización del transistor. Los capacitores ayudan a tener una mejor señal de salida. El Diagrama de voltajes nos ayuda a hacernos una idea del funcionamiento de la región de operación de la configuración emisor común.
6. BIBLIOGRAFÍA
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/2N3904.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Preamplificador http://www.terra.es/personal2/equipos2/ecomun.htm http://www.unicrom.com/Tut_emisor_com.asp
ANEXOS 1. Medida de la salida de audio
2. Quemando en baquelita
3. Circuito en baquelita
