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Bogotá, 17 de abril de 2014

 

 

AMPLIFICADORES DE POTENCIA (parte 5)

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AMPLIFICADOR DE AUDIO AMPLIABLE EN POTENCIA

 

amplificador ampliableEn 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 tomar 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 amplificación, 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

 

diagrama de amplificador

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 o C1573, 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 encontramos 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 momento 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.     

transistores 2N3055Lo 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 obtener 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 un 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 originales 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 voltaje DC 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.

transformador

 

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 amperios.
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 formaletas 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 componente 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 un amplificador con circuitos integrados, debemos descargar de Internet la hoja de datos del integrado y medir el voltaje y amperaje 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 amplificador 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 formato 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 voltios 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 averiguar 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 los 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 misma 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 500W 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.

A continuación veremos el ensamble del amplificador ampliable en potencia.

 

 

 

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