PROYECTO FINAL DE ELECTRONICA
DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN AMPLIFICADOR DE AUDIO DE 20W
INTEGRANTES
YESICA BOHORQUEZ UPARELA SANDY AURORA BONILLA URZOLA MARIA MAZA FIGUEROA GEORGY PARADA MASS
PROFESOR MSC. RICARDO ARJONA ANGARITA
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE BOLÍVAR FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRICA Y ELECTRÓNICA CARTAGENA DE INDIAS D. T. Y C. 2010
OBJETIVOS
Diseñar y construir un amplificador de audio para un ancho de banda de 25Khz, con una potencia de salida de 20W entregada sobre una carga RL = 8 (parlante) con una distorsión total armónica inferior al 10%. Aplicar la teoría concerniente a amplificadores BJT, amplificadores de voltaje y amplificadores de potencia para el diseño y construcción del amplificador requerido.
OBJETIVOS
Diseñar y construir un amplificador de audio para un ancho de banda de 25Khz, con una potencia de salida de 20W entregada sobre una carga RL = 8 (parlante) con una distorsión total armónica inferior al 10%. Aplicar la teoría concerniente a amplificadores BJT, amplificadores de voltaje y amplificadores de potencia para el diseño y construcción del amplificador requerido.
INTRODUCCION Un amplificador es un dispositivo que recibe una señal de entrada proveniente de algún transductor o fuente, y genera un nivel más grande de la señal. Los dispositivos que ofrecen solamente amplificación de voltaje de la señal de entrada se denominan amplificadores de voltaje ; Los que proporcionan una amplificación de voltaje y de corriente de la señal de entrada se denominan amplificadores de potencia o de gran señal, señal, ya que suministran potencia suficiente a una carga de salida que permita activar un dispositivo de potencia, tal como una bocina. Un amplificador de potencia es el último componente activo en la cadena de un sistema de sonido, está ubicado antes de los parlantes. Sus principales características son, la eficiencia de potencia del circuito, la máxima cantidad de potencia que es capaz de manejar el circuito, y el acoplamiento de impedancia con el dispositivo de salida. Existen cuatro clasificaciones básicas de amplificadores de potencia: A, AB, B y C. En clase A, el amplificador está polarizado de tal forma que la corriente por el colector fluye durante el ciclo completo de la señal de entrada. Para clase AB, la polarización del amplificador es de tal forma que la corriente de colector solamente fluye para un lapso menor a los 360° y mayor a los 180° de la onda correspondiente. Para el funcionamiento en clase B, la corriente IC fluirá solo durante 180° de la onda de entrada. Finalmente, para funcionamiento en clase C, el dispositivo conducirá durante un periodo inferior a 180 ° correspondiente a la onda de entrada.
DISEÑO
Para el diseño del amplificador de audio son necesarias ciertas especificaciones que servirán para calcular algunos de los parámetros que se necesitan para implementar el amplificador de 20W, los requerimientos son: Ancho de banda: 25khz Potencia de salida: 20w Resistencia de carga: 8 Distorsión total armónica (<10%)
El tipo de amplificador seleccionado para el diseño, fue un amplificador CLASE AB teniendo en cuenta que: Poseen buena calidad de sonido Son comunes en el mercado Poseen baja distorsión
En los amplificadores de audio de potencia se distinguen dos etapas: 1. Amplificación de tensión o etapa de pre amplificación:
Tiene como fin aumentar el nivel de la señal de entrada y 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). 2. Etapa de potencia:
En esta tapa se amplifica la corriente de la señal de entrada, ya que es necesario suministrar una corriente de tal magnitud, que sea capaz de activar el dispositivo de salida, en este caso el parlante conectado a la salida.
AMPLIFICADOR CLASE AB
Teniendo en cuenta lo anterior, el diseño que será llevado a cabo tendrá sus correspondientes etapas de amplificación de tensión y de potencia. Los amplificadores clase AB funcionan básicamente como los amplificadores en clase B, excepto en el que se inyecta una pequeña corriente de polarización, los transistores de salida reciben sólo una pequeña corriente de polarización constante, para que el transistor opere a bajos niveles de potencia de salida, tanto en el semiciclo positivo como en el negativo, es decir, ya estén conduciendo previamente a la llegada de la señal. A bajo nivel de salida, el amplificador clase AB funciona como clase A, mientras que, a altos niveles de salida, la señal sobrepasa el punto cero de cruce y se comienza a comportarse como uno clase B. No se diseñan en clase A. Se diseñan casi en corte, pero sin llegar a estar en ese estado. De esta forma se consigue eliminar la distorsión de cruce. El punto de funcionamiento Q debe estar ubicado antes del corte, como se muestra en la figura 1(a), la corriente en el colector fluye por un lapso menor a 360° y mayor a 180° de la señal de entrada, figura 1(b).
a)
b)
a) punto de funcionamiento para un amplificador clase AB, b) curva de Corriente en el colector]
[Fig.1
DISEÑO DE LA ETAPA DE POTENCIA Los amplificadores de potencia de audio proporcionan alta corriente a una carga de salida, que corresponde al parlante. En el diseño de la etapa de potencia se debe asegurar la estabilidad del punto Q de operación para que los transistores no entren en corte, para lograr esto se recurre al espejo de corriente, que consiste en conectar dos diodos en paralelo con la unión baseemisor, que garanticen la polarización de los transistores. Se necesitan un transistor de señal y dos transistores de potencia del mismo tipo, se pueden usar dos transistores Darlington complementarios como lo requiere el diseño del amplificador clase AB o se puede recurrir a armar estos con simetría complementaria y par Darlington que fue el criterio usado en este diseño. En la [Fig. 2] se puede ver el diseño planteado para esta etapa.
[Fig. 2
Esquemático de la etapa de potencia ]
CARACTERÍSTICAS, CÁLCULO Y ELECCIÓN DE LOS COMPONENTES USADOS EN LA ETAPA DE POTENCIA
El análisis se hará de derecha a izquierda para simplicidad en los cálculos.
Cálculo de la fuente de alimentación
Para el cálculo del voltaje de alimentación del circuito se tiene en cuenta la potencia requerida de diseño (20W) y la resistencia de la carga (8). La carga utilizada es un parlante con resistencia de 8. Pero teniendo en cuenta que un parlante (µspeaker¶) utiliza una bobina móvil para su funcionamiento, esto hace que tenga una inductancia asociada. En los cálculos siguientes, se asumirá el parlante como una carga puramente resistiva para facilitar los cálculos teniendo en cuenta que la potencia activa suministrada a la carga será de 20W. Entonces, la potencia activa está definida por la ecuación (1 )
Donde: P: potencia en la carga VL: Voltaje eficaz en la carga (rms) IL: Corriente en la carga Además se sabe que:
Donde:
RL: resistencia en la carga Reemplazando (2) en (1) queda:
Si se excita el amplificador con alimentación simétrica de como se muestra en el diseño [Fig. 2], la desviación máxima de tensión que se presentara en la carga es , entonces:
Reemplazando (5) en (3) queda:
El voltaje de alimentación de la fuente se calcula mediante la ecuación (7)
Se tiene para el diseño una resistencia en la carga de 8 y se desea una potencia de salida de 20W, reemplazando los anteriores valores en la ecuación (7) queda:
Aproximando este valor para la fuente, esta debe suministrar una tensión simétrica de ± 18v
Ahora; La máxima corriente que debe entregar cada fuente es:
Calculo de la corriente de saturación
Basados en la [Fig.1] la cual ilustra el punto de funcionamiento del transistor en clase AB, podemos hallar La corriente de saturación y la corriente de polarización de los transistores mediante las expresiones:
Características de los transistores Q2, Q3, Q4, Q5 y Q6
Los transistores de salida, también denominados de potencia, tienen como misión entregar a la carga una señal de potencia grande con la mínima distorsión y el máximo rendimiento. La impedancia de salida es pequeña puesto que la carga es un altavoz de 8. Se puede diseñar un amplificador de alta ganancia de corriente utilizando la conexión de un par Darlington y transistores. Esta configuración se conoce como amplificador clase AB cuasi complementario, e incorpora un par Darlington con transistores NPN y un par retroalimentado consistente en un transistor NPN y uno PNP. Los transistores de salida en este diseño deben ser iguales; para conseguir que dichos transistores sean del mismo tipo se recurre al criterio anterior. Esto se puede observar en la [Fig. 2]. Estos transistores Q3 y Q5 se denominan complementarios, pues utilizan pares de transistores similares, pero de tipos opuestos, NPN y PNP. A su vez son denominados simétricos, pues cada transistor amplifica la mitad de la señal de entrada, y posee una polarización DC que también se reparte en forma simétrica, en general el concepto simétrico corresponde a una distribución simétrica de voltajes en los transistores Q3 y Q5. La configuración par Darlington es una configuración compuesta de dos transistores. Esta combinación de transistores posee algunas características deseables que la hacen más útil que un solo transistor en ciertas aplicaciones. Por ejemplo, el circuito tiene alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida y alta ganancia de corriente. Una desventaja del par Darlington es que la corriente de fuga del primer transistor es amplificada por el segundo.
La señal de entrada positiva provoca que Q3 conduzca, pero Q5 permanece en corte ya que se trata de un transistor PNP. Conforme la señal de entrada se hace negativa, Q3 se corta y Q5 conduce. Entonces, Q4 y Q6 son transistores NPN que juntos forman la configuración par Darlington; Q3 es un transistor PNP, Q5 es un transistor NPN, juntos forman la configuración Darlington complementaria. Los transistores Q5 y Q6 deben tener las siguientes características:
Al ser estos transistores de potencia su tiene un rango de variación entre 20 y 100, para el diseño del amplificador se toma la de 20 ya que se diseña para el peor caso que es donde la tiene el valor más pequeño admisible. Los transistores Q2, Q3 y Q4 son transistores de señales y por esto solo interesa su , ya que por estos va a circula una tensión muy pequeña (mV); como son transistores de señales tienen un que varía entre 100 y 300, para el diseño se toma el peor caso que es donde el tiene el valor más pequeño admisible (100). Los transistores Q4 y Q6 en configuración par Darlington, vistos como uno solo, al igual que Q3 y Q5 en simetría complementaria tienen un = 1* 2, es decir, tienen una ganancia de 2000, esto no afecta el diseño del amplificador AB en vez de esto mejora la ganancia de corriente en esta etapa.
Características de las resistencias R9 y R10
Estas resistencias no son necesarias para el buen funcionamiento del amplificador, en general existen muchos diseños en los cuales estas resistencias no existen, para este diseño se hace uso de ellas colocándose R9 y R10 en serie con el emisor de Q5 y Q7 respectivamente con el fin de evitar problemas térmicos. Dichas resistencias al ser de potencia deben ser pequeñas y se escogen de acuerdo a resistencias comerciales por facilidad. Características de los diodos D1 y D2
Los diodos D1 y D2 pertenecen a la configuración espejo de corriente usada cuya función es obligar a los transistores del amplificador a mantenerse polarizados en el punto de operación calculado. Si analizamos el circuito mostrado en la [Fig. 2], se ve que por estos
diodos no va a pasar una corriente mayor a I CQ, por tanto no habrá problema al momento de elegir cualquier diodo de pequeña señal que soporte la corriente de polarización. Escogencia de Q6 y Q5
Para la elección de los transistores de de potencia Q6 y Q5 se debe tener en cuenta los criterios mencionados en sus características y la máxima potencia disipada por estos la cual se obtiene mediante la ecuación (8).
Donde: Vpp: voltaje pico pico 36 V RL: Resistencia de la carga 8
Reemplazando estos valores en (8) queda:
Para el diseño del amplificador (etapa de potencia) cumpliendo con los requisitos ya planteados se escogió el transistor TIP 41 para Q5 y Q6 cuyas características son las siguientes:
Dadas dichas características si cumple con los planteamientos necesarios para el diseño. Escogencia de las resistencias R9 y R10
Dado los criterios mencionados en las características de estas resistencias, cuya tarea es la protección contra embalamiento térmico y no producir una caída de tensión considerable se escogen de 0.47 , las cuales disiparan una potencia máxima calculada mediante la ecuación (9) así:
Escogencia de Q4 y Q3
Dado sus características cualquier transistor de señal con 100 sirve, en este caso se escogió para Q4 el transistor 2N2222 A y para Q3 el 2N2905 cuyas hojas de especificaciones muestran una ganancia de corriente con variación entre 100 y 300 para ambos transistores. Calculo de R8
Para el funcionamiento correcto de la configuración de espejo de corriente de los amplificadores AB, se necesita una resistencia limitadora, que se muestra en la [Fig. 2] como R8; para el cálculo de esta se necesita saber la corriente y la diferencia de potencial en los extremos. Despreciando la caída de tensión en la resistencia de 0.47, la tensión en la base de Q4 es 1.4V. Se sabe que:
El valor máximo de la corriente por la base va a estar dado por la ecuación (10), donde el al estar constituido por dos transistores va a ser de 1(Q6) * 2(Q4).
Reemplazando en (11) tenemos:
Se toma para R8 una corriente ligeramente superior para garantizar que los diodos y el transistor Q2 siempre estén conduciendo. Por ejemplo 5mA
Escogencia de los Diodos
Dado las características mencionadas para estos y que la corriente que circula por estos es pequeña (5mA), sirve cualquier diodo de señal, en este caso se escogió el 1N4148 el cual soporta una corriente máxima de 150mA.
Calculo de C4
C4 garantiza la unión eléctrica de las bases de los transistores para alterna. Se puede realizar un cálculo aproximado para obtener el valor del mismo.
Sustituyendo en (12)
CÁLCULO DE LA IMPEDANCIA DE ENTRADA Y SALIDA DE ESTA ETAPA La impedancia de entrada se calcula mediante la expresión (13)
= 2000(8+0.74) = =0.74
= 17480
GANANCIA DE TENSIÓN ETAPA DE POTENCIA Se calcula con la siguiente ecuación:
DISEÑO DE LA ETAPA DE PREAMPLIFICACION DE VOLTAJE Esta etapa tiene como función amplificar la señal de audio, la cual tiene magnitudes que generalmente no superan el orden de los mili voltios, para entregar a la salida del amplificador de potencia una señal acústica. En la [Fig. 3] se puede ver el diseño planteado para esta etapa.
[Fig. 3
Esquemático de la etapa de pre amplificación]
CARACTERÍSTICAS, CALCULO Y ELECCIÓN DE LOS COMPONENTES USADOS EN ESTA ETAPA Escogencia de Q2
Q2 es un transistor que funciona con una corriente y una tensión reducida. Cualquier transistor de señales sirve para esta aplicación. Se elige el transistor NPN 2N2222A de = 100. Calculo de R7
R7 debe calcularse de forma que permita el correcto funcionamiento del transistor Q2 para cualquier variación de la señal de entrada. Para el cálculo de esta se elige una caída de tensión de
, es decir, 1.8 V.
R7 se calcula mediante la ecuación (13)
Calculo de R5
Se elige una corriente por R5 y R6 superior a la de la base. La corriente por la base de Q2 se obtiene mediante la ecuación (10).
Se toma una corriente de 1mA. De esta forma se puede despreciar la base. R5 se calcula mediante la ecuación (14) así:
Calculo de R6
Como se expresó, se asumirá que la corriente que circula por esta resistencia va a ser de 1mA. La diferencia de potencial en sus extremos es:
R6 se calcula mediante la ecuación (15)
Calculo de C3
C3 se calcula mediante la ecuación (16)
R4 = 720 (el cálculo de esta se hace en la etapa de pre amplificación de voltaje) Zin1= (El cálculo de esta se hace más adelante en el cálculo de la ganancia de la
etapa de amplificación de Q2)
Se elige uno superior en este caso de 1ouF.
Calculo de R3 y R4
Se elige una corriente de colector de 10mA, un punto de funcionamiento clase A y una tensión de emisor de 1.8V. A partir de estos datos se diseñan las resistencias:
En el colector de Q1 se tiene la siguiente tensión:
La resistencia R4:
Escogencia de Q1
Q1 es un transistor de señal se puede elegir perfectamente el 2N2222A. Calculo de R1 y R2
La corriente por la base de Q1 es Ib1=Ic/100 = 0.1mA Se toma una corriente por R2 diez veces superior para poder hacer aproximaciones:
La tensión en la base de Q1 es:
R2 se calcula apartir de: Calculo de C1
C1 se calcula mediante la ecuación (17), teniendo en cuenta la impedancia de entrada de la primera etapa y la frecuencia inferior de corte.
(El cálculo de esta se hace más adelante en el cálculo de la ganancia de la etapa de amplificación de Q2) Zin=
El comercial más cercano disponible es 1ouF.
CÁLCULO DE LA IMPEDANCIA DE ENTRADA Y DE SALIDA
Pero Entonces, CÁLCULO DE LA IMPEDANCIA DE ENTRADA Y DE SALIDA DE LA SIGUIENTE ETAPA
Entonces,
CALCULO DE GANANCIA DE VOLTAJE PARA LA ETAPA DE PRE AMPLIFICACIÓN
La ganancia en tensión para esta etapa se puede calcular mediante la siguiente expresión:
Donde
,
,
, entonces
DISEÑO COMPLETO: ETAPA DE PREAMPLIFICACION MAS ETAPA DE POTENCIA
[FIG.4 Esquemático del circuito amplificador implementando resistores y capacitores comerciales.]
RESISTENCI A
VALOR CALCULADO [ ]
3320
3.45uF 2.36uF 530uF
VALOR COMERCIAL [ ]
3k 18k 220 820 3k 39k 510 4.7k 0.47 10uF 10uF 680uF
PUNTOS DE OPERACIÓN PARA CADA TRANSISTOR Q1:
Q2:
Q3:
Q4:
Q5:
Q6:
SIMULACIONES
Amplificación de voltaje por etapas.
A continuación se presenta la ganancia de voltaje que se obtuvo a partir de la simulación del circuito diseñado en el software Proteus Isis Professional de las diferentes etapas del circuito a diferentes frecuencias.
[Grafica 1.
Ganancia de voltaje del amplificador a 60Hz. La línea naranja representa la seña de salida y la azul representa la señal de entrada.]
[Grafica 2. Ganancia
de voltaje del amplificador a 20kHz. La línea naranja representa la señal de salida y la azul representa la señal de entrada.]
[Grafica 3.
Ganancia de voltaje de la primera etapa (pre amplificación) a 60Hz. La línea naranja representa la seña de salida y la azul representa la señal de entrada.]
[Grafica 4. Ganancia
de voltaje de la primera etapa (pre amplificación) a 20kHz. La línea naranja representa la seña de salida y la azul representa la señal de entrada.]
[Grafica 5.
Ganancia de voltaje de la segunda etapa de amplificación a 60Hz. La línea naranja representa la seña de salida y la azul representa la señal de entrada.]
[Grafica 6.
Ganancia de voltaje de la segunda etapa de amplificación a 20kHz. La línea naranja representa la seña de salida y la azul representa la señal de entrada.]
Ganancia de corriente del amplificador por etapas
Etapa1 Etapa2
Vin
Vout
CorrienteIN
CorrienteOUT
800mVp 13,54Vp
13,54Vp 13,31Vp
0,0001A 0,0001A
0,0001A 1.24A
Tabla 2.
Etapa1
Etapa 2
DETERMINACION DE LA DISTORSION ARMONICA TOTAL (THD)
Se define como el valor rms de las componentes armónicas de la señal de salida, exceptuando la fundamental expresada como un porcentaje valor rms de la frecuencia fundamental
Para la medición de la THD del amplificador diseñado se hicieron medicines teóricas y experimentales.
Medición teórica de la TH D (simulación)
La simulación del circuito se realizo en el software PROTEUS, y el espectro en frecuencia se muestra en la figura 5.
[Figura 5.
Grafica del espectro en frecuencia obtenido en la simulación del amplificador]
El cálculo de la THD en la simulación se encuentra en la Tabla 3.
THD teórico Frecuencia
Amplitud(dB)
Voltaje
rms
Potencia
1kHz
21.9
12.44514612
8.80004721
9.68010387
2kHz
-10.9
0.285101827
0.20159744
0.00508019
3kHz
6.12
2.023019179
1.43049058
0.25578791
4kHz
-17.2
0.138038426
0.09760791
0.00119091
5kHz
-21.9
0.080352612
0.05681788
0.00040353
6kHz
-16.8
0.144543977
0.10220803
0.00130581
7kHz
-21.3
0.086099375
0.06088145
0.00046332
8kHz
-26.6
0.046773514
0.03307387
0.00013674
Tabla 3.
× ×
Medición experimental de la THD
Para las mediciones experimentales se utilizo el osciloscopio en el modo matemático análisis de Fourier. Se introdujo al amplificador una señal senoidal de 1kHz y se tomo la grafica del espectro en frecuencia a la salida. Los datos obtenidos se encuentran en la tabla 4. THD medido Frecuencia
Amplitud(dB)
Voltaje
rms
Potencia
1kHz
21.8
12.30268771
8.69931391
9.4597578
2kHz
-4.19
0.617305292
0.43650076
0.02381661
3kHz
7.01
2.241300046
1.58483846
0.31396412
4kHz
-12.6
0.234422882
0.16576201
0.00343463
[Tabla 4:
Datos obtenidos experimentalmente del espectro en frecuencia a la salida del amplificador]
Entonces, calculando la THD experimental se tiene:
GANACIAS DE VOLTAJE OBTENIDAS EXPERIMENTALMENTE
Av (60Hz) = 3.125 Av (1 kHz) = 2.17 Av (10 kHz) = 2.7 Av (20kHz)= 2.6 POTENCIA DESALIDA HALLADA CON EL VOLTAJE MEDIDO EXPERIMENTALMENTE El voltaje medido con ayuda del multimetro, en las terminales de la carga f ue:
Con dicho dicha medida de voltaje rms procedemos a calcular la potencia real que entrega el amplif icador de audio construido, mediante la expresión:
El amplif icador de audio construido entrega una potencia de salida, al parlante de 12.5W. Es notable la aparente pérdida de potencia, ya que el amplif icador debió suministrar una potencia a la carga de 20W, pero teniendo en cuenta la ef iciencia que posee un amplif icador de clase AB y las pérdidas de potencia en forma de calor, tanto en resistencias como en transistores, se justif ica el hecho de obtener a la salida 12.5W, los 7.5 W restantes son perdidos en los transistores de potencia, teniendo en cuenta que cada uno disipa máximo
de acuerdo a lo calculado en
la sección de diseño y teniendo en cuenta que las resistencias de salida también poseen una disipación máxima de potencia de bajo estas consideraciones.
Así la pérdida de los 7.5W está justif icada claramente
CONCLUSIONES
y
y
y
Las mediciones experimentales obtenidas para el amplificador de audio de 20w, diseñado e implementado, fueron consecuentes con los valores teóricos que se determinaron mediante las simulaciones realizadas al prototipo, con la ayuda del software PROTEUS, lo cual permite afirmar que el procedimiento llevado a cabo, es decir los criterios de diseño adoptados, así como los cálculos desarrollados resultan validos y pertinentes para diseñar y construir amplificadores de audio de clase AB. La distorsión total armónica (THD) obtenida para el diseño (3.6%) fue satisfactoria de acuerdo con lo esperado al realizar la simulación del circuito completo (2.73%), y además cumplió con las especificaciones dadas, siendo requerida una THD inferior al 10% para este diseño. El amplificador de audio diseñado no entregó a la carga, la potencia esperada (20W), debido a las consideraciones de disipación de potencia en los transistores de gran señal (potencia) y en las resistencias, dichas pérdidas deben ser tenidas en cuenta previamente para garantizar la potencia requerida a la salida, aun así el diseño resulta completamente valido para construir amplificadores de audio operando en clase AB.
