LEL2 - LABORATORIO AMPLIFICADOR DE POTENCIA DE AUDIO
Introducción.-
Los amplificadores de potencia de audio son circuitos ampliamente utilizados en electrónica, no sólo con fines de entretenimiento, sino para cualquier aplicación en la que se requiera entregarle potencia a una carga de baja impedancia, desde baja frecuencia hasta unos 100KHz. Normalmente están constituidos por una etapa preamplificadora a la entrada, seguida de una etapa de alta ganancia y finalmente una etapa que no suministra ganancia de voltaje, sino de corriente. Una de las configuraciones más populares para ésta última etapa es la PUSH – PULL, que emplea fundamentalmente un par de transistores complementarios complementarios NPN y PNP en polarización clase AB. Objetivo.-
Determinar las características de polarización y operación dinámica del amplificador de audio integrado LM386.
Este circuito tiene unas características bien interesantes en su operación. En la configuración normal de funcionamiento que sugiere el fabricante, la entada inversora 2 es colocada a tierra; esto hace que la corriente que desde Vs pasa por las dos resistencia se 15K sea básicamente la misma que llega a Q3, la cual es la corriente origen para el espejo de corriente Q3-Q6. Con una fuente Vs de 5V, si el emisor de Q2 fuera tierra, la corriente que circularía por las dos resistencias de 15K sería de 166uA, lo cual muestra que las corrientes por Q2 y Q1 son pequ eñas y los voltajes emisor base de estos dos transistores tendrán cada uno un valor cercano cercano a los 0.5 V; si la base de Q1 está a tierra, el emisor de Q2 tendrá un voltaje aproximado de 1V y la corriente en Q2, Q3 y Q6 será el voltaje neto en las dos resistencias de 15K, en este caso 4V dividido por los 30K de las dos resistencias, aproximadamente 133uA. Aun si la señal a
amplificar fuera acoplada capacitivamente a la base de Q5, la muy pequeña corriente de base de Q5, en el orden de los nA, produciría un voltaje muy pequeño en la resistencia de 50K y por lo tanto se puede considerar que Q4 y Q5 están polarizados igual que Q1 y Q2 y que por Q4 pasará una corriente del orden de 133uA; habría que adicionarle la pequeña corriente que alimenta la base de Q7; si este transistor funcionara con 1mA y tuviera un β de 300, la corriente de base sería de sólo 3.3uA, y así la corriente en Q4 alcanzaría unos 136uA. El emisor de Q4 podría estar unas fracciones de mV mayor que el emisor de Q2, pero para efectos prácticos se puede considerar que están al mismo potencial y en este caso no habría corriente por las resistencias que están entre los emisores de Q2 y Q4. La corriente de emisor de Q4 necesariamente tiene que venir desde la salida, terminal 5. Así las cosas, el terminal 5 quedará al mismo potencial que el terminal 7, un valor aproximado a los 3.03V mostrando con esto que no necesariamente el voltaje DC de salida tiene que estar a la mitad del voltaje Vs. Para la realización del experimento, alimente el LM386 con un voltaje de 5V, coloque lo más cerca posible del integrado dos condensadores, de 0.1uF y 100uF entre los terminales 6 y 4. El circuito de referencia es el de la figura:
El altavoz puede ser reemplazado por una resistencia de 8 Ω. Con el terminal 3 a tierra, comprobar la corriente que pasa por las dos resistencias de 15K, midiendo la diferencia de voltaje entre los terminales 6(Vs) y 7(Bypass), dividiendo por 15K. Comprobar los voltajes en los terminales 1 y 8 Desde el punto de vista dinámico, haciendo un análisis no detallado, el voltaje AC que se aplica a la base de Q5 aparece casi en su totalidad en el emisor de Q4, y como la base de Q1 está a tierra, dinámicamente el emisor de Q2 está muy cerca de tierra, puede considerarse entonces que la corriente dinámica que llega al emisor de Q2 es el voltaje de entada sobre la resistencia neta de 1.5K entre emisores de Q4 y Q2; esta corriente dinámica, debido al espejo de corriente, pasa también por el transistor Q4 haciendo que la corriente dinámica neta que eléctricamente sale del nodo al que se conecta el emisor de Q4, o sea 2Vi/1.5K, la cual tiene que pasar por la resistencia de
15K conectada a la salida. Así las cosas el voltaje dinámico de salida es aproximadamente el voltaje de entrada Vi más el voltaje desarrollado a través de la resistencia de 15K, esto es Vo = Vi + (2Vi/1.5K)(15K) = 21Vi lo cual significa que la amplificación es del orden de 20. Si se coloca un condensador de 10uF o más entre los terminales 1 y 8, eléctricamente sólo queda neta la resistencia de 150 Ω en emisor, y la ganancia sube a 201. Obsérvese que dinámicamente se está retroalimentando una fracción del voltaje de salida al emisor de Q4, haciendo que la ganancia del sistema retroalimentado negativamente dependa de los componentes externos al circuito y no del circuito mismo, pero esto es posible sólo si el amplificador sin ningún tipo de retroalimentación negativa presente una ganancia mucho más grande de la que se pretende obtener retroalimentando negativamente. Coloque un condensador de 220uF o más entre el terminal 1 y tierra, esto hace que el emisor de Q4 quede dinámicamente a tierra y así se logra la máxima ganancia posible pues no hay retroalimentación. Aplique con la ayuda de un atenuador adicional, por ejemplo 1KΩ - 10Ω, una señal seno de 100µVp, 1KHz al terminal de entrada 3. Observe la señal a la salida y determine la ganancia de voltaje. Retire el condensador del terminal 1, aplique una señal de 50mVp a la entrada 3 y verifique la ganancia de voltaje. Aumente el voltaje de entrada hasta lograr el máximo de señal a la salida sin deformación, en estas condiciones determine la potencia máxima que se le puede aplicar al altavoz. Coloque un condensador de 10uF o más entre los terminales 1 y 8, + hacia 1, aplique una señal de 5mVp a la entrada 3 y verifique la ganancia.
