Amplificadores con Transistores de Encapsulado TO-3

Presentamos una serie de amplificadores de 120W, 180W y 240W con transistores BJT de encapsulado TO-3.



Sello de probado
Aquí tenemos varios amplificadores zener de diferentes potencias, en configuraciones: complementario, cuasicomplementario, con fuente incluida y fuente por aparte. Usan los famosos transistores TO-3, conocidos en nuestras costas colombianas como “Checas” o transistores de moneda.

 

Los transistores BJT de encapsulado TO-3 están empacados en un recipiente metálico con forma de rombo y una tapa cilíndrica. Este tipo de encapsulado también se usa en algunos circuitos integrados. La sigla viene del inglés Transistor Outline Package, Case Style 3, que en español quiere decir Transistor Empaquetado en Caja de Estilo 3.
Los transistores TO-3 se usan principalmente en amplificadores de alta potencia, instrumentos de medición, aplicaciones militáres, inversores, y muchos circuitos que requieren de una buena disipación de calor.
En el audio o sonido profesional son muy usadas las referencias 2N3055, MJ15003, MJ15024, entre otros.
Otras cualidades especiales de estos transistores es que pueden conducir hasta 2 amperios continuos. Esto permite trabajar con impedancias bajas. También su Beta o hFE es bajo (entre 15 y 50 cuando son originales), dando una buena potencia con voltajes bajos.



Amplificador clase AB

Este amplificador es popular entre los aficionados al audio DIY. Conocido como “la zener”, este diseño ha tenido una gran acogida por su gran estabilidad y sonido limpio.
En nuestro sitio Web tenemos una versión con transistores 2SC5200 que entrega 100W. Lo encontrará como Amplificador de 100W versión 2.0. También está una versión estéreo con transistores 2SC3858 y sus complementarios, llamado Amplificador estéreo de 250W.
El diseño de ésta versión fue inspirado en un dibujo que encontré en Internet buscando en imágenes y me gustó la forma de colocar los transistores en la misma tarjeta, sin tener que utilizar cables. El dibujo que usé como base estaba marcado con el nombre de Sipos Josef, pero por más que busque información de este personaje no encontré nada relacionado con él.

Amplificador complementario

A continuación presentamos varias versiones del amplificador zener con transistores TO-3. En la fotografía podemos apreciar el amplificador en versión complementaria de 4 transistores que entrega 120W. Al final del artículo habremos visto algunas de estas versiones con fuente, sin fuente, complementarias, cuasi-complementarias, de 4 transistores y de 6 transistores.
La idea es mostrar cómo un mismo amplificador puede ser construido de muchas maneras, de acuerdo a la necesidad del usuario, e incluso para acomodarnos al mercado local de componentes.

Etapa de regulación

etapa de regulacionHaremos una breve explicación del circuito. Al momento que la señal de audio entra al amplificador, ésta pasa por un condensador de 0.47 uF de poliéster (C1). Éste es el condensador de desacople, se encarga de separar el amplificador del reproductor de sonido o si es el caso de un preamplificador, evitando que se filtren voltajes DC de un circuito al otro. El siguiente componente es una resistencia de 56K, que va en paralelo a la entrada (R1). Se encarga de fijar la impedancia de entrada. Si incrementa su valor, aumenta la sensibilidad de entrada, pero también puede aumentar el ruido, y si baja su valor, el sonido es más limpio, pero si baja su valor a menos de 20K, el amplificador sonará con menos volumen.

El par diferencial

diferencial pairAhora la señal llega a un par de transistores A1015 (Q1 y Q2), que están unidos por sus emisores. A esta configuración se le conoce con el nombre de “Par diferencial” o configuración emisor común. La base del transistor (Q1) recibe la señal de audio, en tanto que la base del transistor (Q2) está conectada al punto centro o punto de reposo del amplificador, que va a la salida a parlante, por medio de una resistencia de 68K. (ver diagrama eléctrico en el PDF).
Los colectores están a –Vcc o voltaje negativo, por medio de un par de resistencias de 3.3K. A su vez los colectores entregan la señal a los transistores C2229 (Q3 y Q4), que son nada menos que los transistores pre-excitadores.

Transistores pre-excitadores

pre-excitadoresLos transistores C2229 (Q3 y Q4), se encargan de preamplificar la señal proveniente del par diferencial.
Los C2229 son transistores de gran rendimiento, usados en infinidad de aplicaciones como los televisores tradicionales, conmutación de alta tensión y como impulsores (drivers) en amplificadores de audio.
Debido a esto, los transistores 2SC2229 están siendo falsificados con mucha regularidad. Por esta razón, al igual que los A1015, se deben probar antes de ser colocados. No deben tener una ganancia (hFE) superior a los 190. De lo contrario son falsificados o de mala calidad. Cuando los 2SC2229 son falsos, hacen entrar en corto los transistores de salida, produciéndose averías que pueden salir muy costosas. Recomendamos usar como reemplazo el transistor 2SC1573, el 2SC2271 o el 2SC1921.

Transistores impulsores

transistores impulsoresLos tres transistores de encapsulado TO-220 que apreciamos en la fotografía, son: dos transistores TIP42 (PNP) y un TIP41 (NPN).
El primer transistor de izquierda a derecha es el TIP41. Se encarga de impulsar los transistores de potencia del semiciclo positivo.
El transistor TIP42 que se encuentra en el centro es parte de la regulación de BIAS. El ajuste de BIAS consiste en regular la intensidad que circula por los transistores de salida, cuando el amplificador se encuentra en reposo.
El transistor TIP42 del lado derecho se encarga de impulsar los transistores del semiciclo negativo.
Al momento de comprar los TIP no olvide medir el Beta con un multímetro que tenga función para mediciones de Beta o hFE. Debe obtener un valor por debajo de los 160. Si es mayor a este valor, le recomendamos que los reemplace.



Como colocar un disipador de calor con transistores TO-3

tarjeta sin transistores Por lo regular cuando se construye un amplificador con transistores de encapsulado TO-3, se hace una tarjeta impulsora. Los transistores de salida se colocan por aparte, usando cables. Esto es bastante engorroso, además si no se tiene bastante habilidad, se termina viendo un circuito desordenado. Como dicen algunos de manera jocosa “parece un nido de pájaros, pero sin el pájaro”.
Para evitar esto, el PCB está diseñado con los transistores incluidos en la misma tarjeta.
Ahora bien. La manera de colocar los transistores TO-3 sobre el circuito impreso tiene cierta dificultad.  A continuación veremos esto en detalle para lograr un ensamble pulcro y seguro.

Lo primero que debemos hacer es conseguir un disipador que tenga una parte plana horizontal con un área lo suficientemente grande como para que quepan los transistores de salida. En este caso usamos un ángulo de aluminio de 2 pulgadas por 1/8.

montaje del disipador

Se deben hacer las perforaciones por las que entrarán los terminales del transistor (emisor y base) y los tornillos de ajuste de la capsula.
Los orificios para el paso de los pines del transistor se hacen con una broca de 3/16. Y los de los tornillos de ajuste con una broca de 1/4. Para hacer estos orificios se usa como molde la misma tarjeta o circuito impreso y se marcan los puntos con un marcador. Luego se perfora.

Los transistores deberán quedar aislados del disipador pero no de la tarjeta. Recuerde que la carcasa de los transistores es el colector. Por eso se deben hacer los aislamientos pertinentes. El transistor se aísla con aislantes de mica especiales para transistores TO-3. Estos se consiguen en la misma tienda de electrónica, donde venden los transistores.
Los orificios del disipador se aíslan de los tornillos y de los pines del transistor con tubos de caucho o plástico. Yo personalmente uso el recubrimiento de caucho del cable blindado para micrófono y del cable encauchetado de calibre 16. Le saco el alambre y me quedan unos tubos perfectos para esto. A estos tubos ya instalados se les da el nombre de pasa muros o bujes aislantes.

Observe como se introduce el tubo de caucho en cada orificio por donde pasarán los tornillos de ajuste. Luego se corta el excedente para que queden a ras. El calibre del tubo debe ser lo suficientemente grueso como para que quede ajustado en el orificio y no se salga mientras hacemos la instalación.

Cuando ya tenemos aislados con caucho todos los orificios para los tornillos, se debe aplicar grasa siliconada conductora de calor, en cada aislante por ambos lados. Luego se coloca el aislante en el transistor. A continuación se introduce en cada terminal de cada transistor, un pequeño trozo de caucho de calibre más delgado. Estos trozos deben ser tan largos como sea el grueso del disipador. Además deben caber por los orificios donde entrarán los terminales.

Ahora: antes de soldar los terminales a la tarjeta, se verifica con el multímetro que no haya continuidad entre el disipador y la carcasa de los transistores. Esto se hace colocando el multímetro en la escala de continuidad. Luego se coloca una punta en el disipador y la otra sobre la carcasa metálica de cada transistor. Si ésta medición es correcta (es decir que no hay continuidad), se proceden a soldar los pines de los transistores a la tarjeta por su parte inferior.

Fuente simétrica

fuente dual o simétricaVeamos una fuente simétrica que soporta altas cargas de amperios, dependiendo de la capacidad del puente de diodos. Sirve para alimentar amplificadores de hasta 250W aproximadamente.
Claro que debemos tener en cuenta que entre más transistores, la capacidad de los condensadores debe ser más alta. Por ejemplo: con uno de estos amplificadores de 4 transistores se pueden usar 2 condensadores  de 4.700 uF y la respuesta será buena. Pero si usamos 8 transistores, es mejor usar condensadores de 6.800 uF o mejor aún de 10.000uF.
Como los condensadores de 10.000 uF son costosos y algunas veces difíciles de conseguir, se pueden hacer fuentes con más condensadores de menos microfaradios. Por ejemplo una fuente con 4 condensadores de 4700uF, funciona igual que una de dos condensadores de 10.000uF.

El transformador eléctrico

transformador eléctricoEl transformador ideal para este amplificador debe ser de 35+35 voltios AC. Esto quiere decir que tiene tres cables a la salida. Si se mide entre el TAP central y cada extremo, deberá haber un voltaje de 35V AC, y si se mide entre los dos extremos, deberá haber 70 voltios AC.
En cuanto a los amperios, esto varía dependiendo de la cantidad de transistores. Si vamos a trabajar con uno de los amplificadores de 4 transistores, el alambre ideal para el devanado secundario debe soportar al menos 6 amperios. Y si la idea es alimentar uno de los amplificadores de 6 transistores, el transformador deberá entregar al menos 8 amperios.
Para la construcción del transformador de ejemplo, hemos usado un núcleo de 3.8 centímetros, por 4 cm. Como en Colombia el voltaje de la red pública es de 120 voltios, enrollamos para el devanado primario, 331 vueltas de alambre calibre 22, y para el secundario, enrollamos 182 vueltas de alambre calibre 17. Nos detuvimos en la mitad de las vueltas para soldar un cable de salida que hará las veces de TAP central. Luego se  enrollan la otra mitad de vueltas de alambre. Otra forma de hacer el devanado secundario es enrollando el alambre en doble y dar sólo 91 vueltas.

Para los países que usan un voltaje de 220 en la red pública, es necesario enrollar 607 vueltas en el devanado primario con alambre calibre 24. El devanado secundario es igual en ambos casos. Si tiene alguna duda sobre la construcción del transformador, lea nuestro artículo de Cálculo de transformadores.



Recuerde que es indispensable colocar un fusible de 3 amperios a la entrada del transformador para el amplificador de 180W, o de 2 amperios para la versión de 120W. Lea nuestra sección de Recomendaciones.

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