Amplificador de Audio de 400W Reales

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La revista del Club Saber Electrónica - Año VII, Nº 76 ISSN: 1668-6004 -

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En fiestas y reunio nes en las que asis te mucha gente y es preciso un sistema de audio eficiente, se necesita una etapa de potencia elevada con buen rendimiento y poca distorsión. En luga res cerrados, algu nas estimaciones preliminares pue den determinar que dicha etapa debe ser capaz de prove er de 0,5W a 1W de salida por cada per sona que asiste a un evento y siempre que los bafles se coloquen en forma adecuada.

Claro está que las dimen siones del lugar tie -

nen mucho que ver pero a rasgos generales podemos tomar esta regla. En este artículo presentamos tres etapas de potencia y un pream plificador que puede ser empleado en cualquiera de ellas. Las tres con figuraciones han mostrado un exce lente desempeño y su montaje no reviste consideraciones especiales.

La construcción de la etapa de potencia de 400W es la de mayor potencia ofrecida y con ella es posi ble abastecer de sonido a más de 500 personas reunidas para algún fin en común. Para pequeñas reu niones también ofrecemos un ampli ficador en base a integrados de Philips capaz de ofrecer 25W por canal y si desea un circuito interme dio, también puede construir el amplificador de 60W diseñado por el Ing. Picerno y que también reprodu cimos en esta nota.

Ing. Horacio Daniel Vallejo e-mail: hvquark@webelectroni -

LO IMPORTANTE: Debemos aprender a utilizar nuestros cono -

cimientos de modo de sacarles provecho sin perjudicar a nuestro prójimo.

En esta edición: Amplificadores de Audio Amplificador de Audio de 400W Reales Diagrama Gigante Minicomponente Panasonic RX-DT680 Descarga Gratuita de CD: Domótica y Automatismos para Casas Inteligentes Curso de Amplificadores de Audio Digitales Generadores de Audio y de Funciones Telefonía Celular- Tecnicas de Liberación de Celulares.

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2 // Club SE // Amplificador de Audio de 400W Reales Amplificador Estéreo de 25W por Canal En base a sugerencias de Philips, proponemos el armado de un amplificador de audio de alta potencia y excelentes características de bajo costo y fácil montaje. Nuestro equipo es capaz de proveer una potencia real de salida superior a 25W por canal (100W de pico en una versión estéreo) con el uso de un solo circuito integrado (por canal) y un transistor en la etapa ecualizadora. El amplificador es de excelente desempeño y requiere pocos componentes externos.

Para una versión estereofónica, con la cual se conseguiría una potencia total de 50W, el costo del circuito electrónico completo (sin gabinete ni accesorios), no supera los 40 dólares incluyendo la fuente y el ecualizador propuesto.

En líneas generales podemos describir nuestro amplificador estéreo con circuitos integrados de la siguiente forma: Partiendo de un integrado TDA 1510, que contiene, en su interior, dos amplificadores independientes (figura 1), hacemos su conexión en puente y con esto cuadruplicamos la potencia total del sistema. Así, si cada amplificador proporciona en verdad 12,5W, con el montaje en puente obtenemos 25W, lo que corresponde a un total de 50W para el amplificador en versión estereofónica, lo que significa más de 70W musicales y casi 120W de pico.

La entrada de este amplificador posee un ecualizador con control de volumen, graves y agudos, del tipo activo con un transistor, lo que permite trabajar con señales de baja intensidad, como las provenientes de cápsulas fonocaptoras o sistemas de CD, además de las señales de mayor intensidad, como las provenientes de mixers, tape-decks o sintonizadores de AM y FM. La salida es de 4Ω, lo que permite la conexión de baffles comunes tanto de esta impedancia como también de 8Ω.

Si bien el TDA 1510 puede operar con 2Ω, caso en que inclusive su potencia aumentaría, por medida de seguridad para garantizar mayor durabilidad del aparato, no recomendamos su uso.

Una característica importante del aparato es su tamaño bastante reducido, lo que además de facilitar su montaje permite obtener un aspecto muy agradable, principalmente si el lector

es habilidoso en la confección de gabinetes acústicos adecuados.

Debemos observar el reducido número de componentes externos, lo que hace bastante accesible el montaje, incluso a los lectores que todavía no se consideran maestros en electrónica.

Si al lector realmente le gustan los aparatos de audio y está sintiendo la falta de uno en su casa.

En el interior de la cubierta del TD1510 existen dos amplificadores independientes que pueden proporcionar 12,5W de potencia en cargas de 2Ω y que admiten tensiones de alimentación situadas entre 9 y 18V. Podemos conectar dos amplificadores en puente y, en este caso, obtenemos con carga de 4Ω, 25W aproximadamente, y en carga de 2Ω.

Está claro que cada integrado de este tipo debe ser dotado de un buen disipador de calor y esto ya está previsto en su formato. En nuestro caso usamos como disipadores, dos trozos rectangulares de aluminio común, pintados de negro, con 10 x 5 cm de largo y ancho, y 6 mm de espesor.

Los circuitos internos del TDA 1510 son amplificadores en clase B que pueden ser usados en la excitación de cargas hasta 16Ω. Cada uno puede operar como para estéreo o mono en puente (BTL). Vienen en cubierta plástica SIL de 13 pins con los pins doblados para el formato DIL. Otro circuito integrado de la familia TDA 1510 de Philips, es el TDA 1515A, el cual posee mejores características y del que se puede obtener una mayor potencia de salida. Entre las características más notables podemos nombrar: * Baja tensión de offset en la sali da (menor de 50mV), importante para la configuración en puente (BTL) * Ganancia de tensión en la banda de 32dB a 56dB en la configuración BTL y de 26 a 50dB en la configura ción estéreo (14,4V de alimentación y 4 ohm de carga). * Excelente rechazo de "ripple" (50dB para 1kHz, Rs = 0 ohm). * Deriva de carga y protección SOAR. * Protección contra cortocircuito entre la salida y la tierra. * Protección contra deriva térmi ca. * Banda de operación internamen te limitada para rechazo de interferen cias de alta frecuencia. * Baja corriente de reposo (menor que 2mA) de modo de simplificar la

conmutación.

TABLA 1 * Pocos componentes externos necesarios.

Potencia de salida Tensión de alimentación Impedancia de carga * Corriente de "stand-by" (repaso) (W) (V) (ohm) e x t remadamente baja (100µA) que permite su conmutación vía circuitos BTL con capacitores de bootstrap (sobretensión) TTL. 24 14,4 4 * Salidas protegidas contra corto circuitos AC y DC en relación a la tie rra.

Estéreo con capacitores de bootstrap * Protección para el parlante en la 2x7 14,4 4 configuración TTL. 2 x 12 14,4 2 * Salidas protegidas contra corto circuitos en relación a la tierra para la Estéreo sin capacitores de bootstrap configuración BTL. 2x6 14,4 4 * Protección contra inversión de la polaridad de la alimentación. alimentación, conectores de entrada y Solamente el disipador debe ser salida, interruptor general y fusible, obtenido a partir de fuentes tal vez Para una distorsión total máxima todos los controles y componentes son poco comunes, como por ejemplo de 10% tenemos en la tabla 1 las carac- montados en esta placa, la cual se aprovechando un laminado de alumiterísticas obtenidas con alimentación y reproduce en la figura 3. Con esto se nio o incluso una caja. Para los demás cargas diferentes. evitan las conexiones largas, y las componentes las dificultades son míniAhora bien, un sistema amplifica- pocas necesarias deben ser cuidadosa- mas, pues son todos comunes. El transdor estereofónico no podría ser consi- mente blindadas. formador usado para la etapa de potenderado completo si no poseyera control Vea que hasta incluso los controles cia proporciona una tensión de 6+6V, de volumen y de tono activo. El siste- formados por los potenciómetros con toma central (no usada), de donde ma que proponemos a los aficionados deben ser dotados de un blindaje espe- con la rectificación en onda completa se muestra en la figura 1. cial. Esto se hace como muestra el se obtienen cerca de 16V de pico. La Se trata de un ecualizador con un diseño de la placa, con la conexión de corriente de 5A es importante para que transistor como elemento activo. un cable de tierra común de la placa al se garantice la potencia máxima del Según la posición de los controles (gra- cuerpo de uno de los potenciómetros. sistema en la versión estéreo. De más ves y agudos) se dosifica la realimentaSi no se toman todas las precaucio- está decir que si desea armar un amplición del circuito en frecuencias altas o nes, se puede obtener mucho zumbido ficador monoaural, será suficiente un bajas, obteniéndose con esto un refuer- en el parlante cuando se abre el control transformador de 3A. También, se zo o atenuación de graves y agudos. de volumen y hasta incluso con volu- puede utilizar un transformador de 12 Con los potenciómetros en las posicio- men mínimo. + 12V con la rectificación con dos diones medias no tenemos ni refuerzo ni El integrado usado es relativamen- dos solamente, o un transformador de atenuación de graves y agudos y, por lo te común en nuestro mercado, no ofre- 12V con rectificación de onda completanto, la señal de entrada es reproduci- ciendo dificultades para conseguirlo. ta. da según su forma original. Con el Figura 1 ajuste de los potenciómetros se puede, entonces, ecualizar la señal de acuerdo con el gusto de cada uno, atenuando o reforzando los graves y agudos.

En la figura 2 se da el circuito completo de nuestro amplificador en la versión monoaural. Evidentemente, para construir un amplificador estereofónico se deben armar dos plaquetas unidas solamente por el control de balance.

Para su construcción se requiere una placa de circuito impreso, la cual a veces resulta crítica, especialmente por la distribución de las masas, dado que de no ser la adecuada, se podrían tener zumbidos e interferencias.

Vea que incluso algunos puntos, que puedan parecer extraños a los lectores, son justificados por esta sensibilidad a los zumbidos y realimentación.

Es el caso del capacitor C19, que es colocado junto al integrado para evitar cualquier realimentación.

Con la excepción de las fuentes de

FELICES FIESTAS Estamos satisfechos con el camino que estamos trazando y nos sentimos orgullosos de que Ud. lo transite junto a nosotros. Sólo resta agradecerles su apoyo a lo largo de tantos años y desearle que en estas fiestas que se acercan los acompañe la paz y la esperanza con el deseo de que el año que comienza esté plagado de felicidad en compañía de sus seres queridos. En nombre de todos los que hacemos Club Saber Electrónica les deseamos: ¡Felices Fiestas!

La revista del Club Saber Electrónica es editada por EDITORIAL QUARK S.R.L., Herrera 761/63 (1295) Buenos Aires, Argentina, Tel./fax: (005411) 4301-8804, Director: Horacio D. Vallejo, Impresión: Impresiones Barracas SRL. Bs. As., Argentina, Edición: Enero 2011. Distribución en Argentina: Capital: Distribuidora Cancellaro e Hijo SH, Gutenberg 3258, Buenos Aires - Interior: Distribuidora Bertrán S.A.C., Av. Vélez Sarsfield 1950, Buenos Aires - Distribución en Uruguay: Rodesol SA, Ciudadela 1416, Montevideo. - Distribución en México: Saber Internacional SA de CV, Cda. Moctezuma Nº2 Esq. Av. de los Maestros Col. Sta. Agueda, Ecatepec de Morelos, México, (0155) 5787-8140 - Distribución en Colombia, Venezuela, Ecuador, Perú, Paraguay, Chile y Centroamérica: Solicitar distribuidor al (005411)4301-8804 o por Internet a: www.webelectronica.com.ar La editorial no se responsabiliza por el contenido del material firmado. Todos los productos o marcas que se mencionan son a los efectos de prestar un servicio al lector, y no entrañan responsabilidad de nuestra parte. Está prohibida la reproducción total o parcial del material contenido en esta publicación, así como la industrialización y/o comercialización de los circuitos o ideas que aparecen en los mencionados textos, bajo pena de sanciones legales, salvo mediante autorización por escrito de la editorial.

ISSN: 1668-6004

Si desea realizar consultas u observaciones sobre esta revista técnica diríjase por carta a: Club SE, Herrera 761, (1295) Buenos Aires, Argentina, o vía mail a: ateclien@webelectronica.com.ar. Todas sus preguntas serán bienvenidas.

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4 // Club SE // Amplificador de Audio de 400W Reales Figura 2

Como la rectificación es en puente, los diodos precisan soportar solamente la mitad de la corriente de pico, y la tensión inversa de pico debe ser de, por lo menos, 50V para mayor seguridad, pero por esta misma razón, es conveniente utilizar diodos de 5 ó 6A. Para el filtrado se usan electrolíticos de gran valor, con tensiones de trabajo de, por lo menos, 16V. Los demás electrolíticos también deben tener una tensión mínima de trabajo de 16V. Los capacitores cerámicos deben ser de buena calidad, especialmente aquéllos por donde pasan las señales de audio. Los capacitores con problemas de calidad pueden causar serios problemas de distorsión. Los resistores, con excepción de R1 de la fuente de alimentación para la etapa de potencia, son todos de 1/8W. R1 es un resistor de alambre de 5W de disipa-

ción mínima, el cual trabajará relativamente caliente.

Los potenciómetros lineales y logarítmicos son de valores comunes, no ofreciendo problemas para su adquisición.

El material complementario depende del tipo de terminación a hacer, como por ejemplo la caja, las perillas plásticas para los potenciómetros, los conectores de entrada y salida, etc.

No incluimos en el proyecto lámpara o led indicador de funcionamiento, VU u otros recursos, pero basándose en otros proyectos de nuestra revista los lectores que lo deseen pueden agregarlos.

Con fines prácticos, recomendamos fuentes independientes para el ecualizador y la etapa de potencia, dado que para un mejor funcionamien-

to, es necesario una fuente estabilizada en el ecualizador, debido a que se manejan señales de baja potencia. En la figura 4 se dan los circuitos eléctricos sugeridos para cada caso.

Para el montaje se deben tener en cuenta las indicaciones dadas normalmente sobre el cuidado en la polaridad de los componentes, el uso de un soldador apropiado, etc. Después, basta revisar el montaje y, si no se encuentra ninguna irregularidad, sólo resta experimentar. Para la prueba de funcionamiento precisamos de una fuente de señal que puede ser un reproductor de TV, MP3, etc.

Antes de conectar su amplificador, fije bien el disipador de calor de cada integrado. Entre el disipador y el integrado debe colocarse un poco de grasa siliconada para facilitar la transferencia de calor de uno hacia el otro.

Figura 3

Vea que tenemos dos entradas que pueden usarse para cada canal. La primera (E1) que no tiene el resistor es la entrada de mayor sensibilidad, que será usada con las fuentes de pequeñas señales, o sea, cápsulas fonográficas, micrófonos, etc. La segunda (E2) que tiene el resistor de 22kΩ (incluso mayor) es usada con fuentes de señal de mayor intensidad, o sea, aquellas fuentes en que la señal ya está dotada de amplificación, como sintonizadores de FM, grabadores, tape-decks, radios, etc. El resistor sirve justamente para limitar la señal, evitando así la saturación del circuito y su consiguiente distorsión.

Si el lector nota que, con su fuente de señal, al aumentar el volumen el sonido aparece distorsionado, debe aumentar el valor de este resistor R5 hasta encontrar el que le permita obtener toda la potencia sin distorsión. Con fuentes de señal elevadas, este resistor puede tener hasta más de 100kΩ.

Una vez elegida la entrada de conexión del aparato, según la fuente de señal, deberemos conectar el amplificador. Y si el lector no tiene a mano una fuente de señal y quiere apelar a la "prueba del dedo", esto también es posible. Basta conectar primero el amplificador con el volumen al máximo. No debe haber inicialmente ningún sonido en las cajas usadas (sólo el clásico soplido que es señal de la potencia que está manejando el dispositivo).

Vea que la elección de las cajas acústicas que usará es importante, pues de nada sirve tener un buen aparato amplificador, si las cajas no están a su altura.

Los parlantes deben ser pesados, preferiblemente acompañados de tweeter, y ser capaces de soportar cada uno, por lo menos, 25W de potencia.

Listo para la prueba, el procedimiento es el siguiente: a) Conecte inicialmente sólo el amplificador, aumentando todo el volumen de cada canal. No debe haber "ronquido" en los parlan tes. Si sucede esto, verifique las conexiones de los cables blinda dos y los blindajes de los poten ciómetros. Verifique también si los capacitores de filtrado de la fuente no están malos. b) Para la prueba del dedo apoye el índice primero en el enchufe de un canal de entrada y después en el otro. En el toque debe producirse la reproducción de un sonido fuerte. La repro ducción en cada canal debe ocu -

Figura 4

rrir en el mismo nivel (si es que se ha decidido por el montaje estéreo). c) Si usa cualquier fuente de señal, puede conectarla. Elija una buena estación de FM, un buen disco o bien una buena cinta y ajuste el volumen en el punto en que no ocurra distorsión.

Verifique la actuación de los controles de tono. Si nota distorsión en los volú menes elevados con fuentes de señal de alta intensidad, entonces aumente R5.

Si la señal de la fuente no fuera suficiente para excitar el amplificador a su máxima potencia entonces será preciso usar un buen preamplificador.

Esto ocurrirá por ejemplo si usa un micrófono dinámico o una cápsula magnética de baja impedancia.

Si percibe alguna anormalidad, comience verificando si la tensión de la fuente está correcta. En C19 debe haber una tensión superior a 12V. Si la tensión estuviera más baja, entonces el problema puede estar en el transformador cuyas especificaciones no están de acuerdo, en la conexión de los diodos, o bien en R1 de la fuente de la etapa de potencia que puede estar abierto o con valor diferente del exigido.

Si no hubiera ninguna señal en el parlante, experimente inyectando directamente en el control de volumen una señal de prueba. Esto puede hacerse simplemente apoyando el dedo en este terminal. Si hubiera un "ronquido", entonces el problema estará en la etapa de ecualización que debe ser verificada. Si no hubiera, el problema puede estar en el integrado correspondiente al canal que no funciona y en los componentes adyacentes.

Debe recordarse que estamos trabajando con un circuito sensible de audio y que todas las conexiones por donde pasen señales deben hacerse con cables blindados y las mallas conectadas a un punto común de tierra.

Sin este procedimiento pueden aparecer inestabilidades, "ronquidos" y oscilaciones que perjudicarán el funcionamiento del aparato.

Amplificador de 60W Reales de Alta Fidelidad El amplificador que describiremos fue diseñado por el Ing. Alberto H. Picerno y un informe sobre el mismo fue publicado en saber Electrónica Nº 182 de la edición Argentina.

Este amplificador está diseñado para fuente de 35V de doble polaridad, transistores de salida 2N3055 y excitadores TIP29/30. Pero no es la única

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Amplificador de Audio de 400W Reales// Club SE // 5 Lista de Materiales del Circuito de la Figura 2

mínimo P1, P2 - 100k - potenciómetros lineales dobles a) Amplificador: b) Fuente de la etapa de potencia: CI-1 - TDA1515 - circuito integrado T1 - transformador con primario de acuerdo Q1 - BC548 - transistor NPN con la red local y secundario de 6+6V x 5A R1, R2 - 6k8 D1, D2, D3, D4 - 50V x 3A - diodos rectifica R3, R7 - 33k dores R4 - 4k7 S1 - interruptor general R5 - 22k C1, C2 - 4700µF x 16V - capacitor electrolítico R6 - 180k C3 - 0,1µF - capacitor cerámico R8 - 3k9 R1 - 1R x 5W - resistor de alambre R9 - 1k F1 - fusible de 3A R10, R11, R12, R17 - 100k c) Fuente para el ecualizador: R13, R14 - 4R7 T1 - trafo. con primario de acuerdo con la red R15 - 680 local y secundario de 12+12V x 250mA. R16 - 22 D1, D2, 50V x 1A - diodos rectificadores R18 - 2k2 C1 - 4700µF x 16V - capacitor electrolítico P3 - 100k- potenciómetro log. simple C2 - 100µF x 16V - capacitor electrolítico C1 - 1µF x 16V - capacitor electrolítico R1 - 100 C2, C3 - 2n2 - capacitores cerámicos Q - TIP 29 - transistor NPN C4 - 47nF - capacitor cerámico C5, C7 - 47µF x 16V - capacitores electrolíticos Dz - zener de 10,1V x 1W C6 - 220nF - capacitor cerámico C8, C11, C19 - 100µF x 16V - capacitores elec - Varios: disipadores de calor para los integra dos (ver texto), perillas para los potencióme trolíticos C9, C10, C13 - 100nF - capacitores cerámicos tros, conectores de entrada, cables blindados, terminales de salida para los parlantes, placa C12 - 330pF - capacitor cerámico de circuito impreso, caja, cable de alimenta C14 - 4,7µF x 16V - capacitor electrolítico PTE - parlante (4 u 8 ohm) para 25W como ción, etc.

posibilidad de armado. Si Ud. desea mayor potencia, puede utilizar una fuente de mayor tensión y otros transistores de salida. Sobre esta variante todos experimentan pero nadie cuenta la verdad. Al decir del autor, en la potencia sexual y en la salida de los amplificadores de audio todos mienten.

Nosotros queremos explicar el tema develando todos los misterios y con una metodología didáctica.

Emplearemos todos los medios disponibles en la actualidad, para que nadie fantasee sobre la probable potencia de un amplificador al cambiarle tal o cual componente. Y comenzaremos con un componente que se fabrica especialmente y casi siempre por medios empíricos: el disipador.

Si yo le digo que cuando termine de leer este capítulo Ud. va a saber todo sobre disipadores de aluminio, seguramente no me va a creer. Sin embargo es así. Le explicaremos cómo realizar un cálculo empírico aproximado, cómo aprovechar al máximo la lámina de aluminio y cómo medir la temperatura del cristal de los transistores de salida. Sí, como lo acaba de leer: la temperatura interna del cristal.

Disipadores de Calor Los transistores de potencia se calientan tal como lo indica la ley de Joule. La potencia eléctrica que se aplica a ellos, se calcula en cada instante como el producto de la tensión aplicada entre el colector y el emisor (o entre drenaje y fuente) por la corriente que los atraviesa tal como si se tratara de simples resistores.

Al igual que los resistores, los transistores se calientan y su temperatura final está perfectamente determinada por las dimensiones exteriores del componente y la resistencia térmica de los materiales que lo componen. En el caso de un resistor la temperatura solo dependerá de su superficie de contacto con el aire circundante, porque el metal por donde circula la corriente está prácticamente en la superficie exterior (solo media una pintura térmica o un vitrificado entre el metal y el aire).

El fenómeno físico que se produce es muy claro, la corriente y la tensión generan calor en el resistor. Ese calor se debe evacuar calentando el aire circundante (convección térmica). Si el resistor tiene una superficie exterior grande, genera un gran flujo de aire

tibio (muchos centímetros cúbicos de aire por segundo) y si tiene una pequeña superficie exterior, genera un pequeño flujo de aire muy caliente (pocos centímetros cúbicos de aire por segundo). En el primer caso el resistor se mantiene tibio, en el segundo se calienta peligrosamente, pudiendo llegar a su temperatura máxima de trabajo luego de la cual se destruye.

Recuerde este concepto: a mayor potencia a disipar, más se calienta el componente. A mayor superficie exterior más se enfría. ¿Se le puede agregar un disipador a un resistor?

Por supuesto que se puede. En principio, todo componente que transforme energía eléctrica en térmica admite un disipador y muchas veces lo requieren imprescindiblemente para no fundirse. Tal es el caso de los transistores de potencia. El fabricante de transistores de potencia los hace con un cuerpo tal que resulte fácil agregarle un disipador. Por lo general tiene una aleta o una base de montaje plana por donde pueden transferir el calor a un disipador agregado. Si el disipador está mecánicamente montado sobre el chasis y la carcasa exterior del transistor está galvánicamente conectada al colector (es lo que se acostumbra a hacer para reducir la resistencia térmica) se deberá utilizar un separador de mica o de plástico en la unión. Este separador debe ser un buen aislador eléctrico y un mal aislador térmico.

En donde se diferencian notablemente un resistor de un transistor es en la máxima temperatura que soportan.

Es común que los resistores de carbón soporten temperaturas de 200°C y los metálicos 350°C o más, en tanto que los transistores de silicio sólo soportan 150°C. Más allá, el cristal pierde sus propiedades y se licúa.

Una característica importante desde el punto de vista térmico, es entonces el material semiconductor.

Actualmente sólo se fabrican transistores de silicio, por lo que una de las variables de nuestro problema (la temperatura del cristal) está fija en 150°C. Lo que varía notablemente entre un transistor y otro es la resistencia térmica entre el chip de silicio y el disipador

Figura 5

y por supuesto, la resistencia térmica entre el transistor y el ambiente. Estos datos son entregados por el fabricante del transistor o el MOSFET y son de muy sencilla aplicación.

Las resistencias térmicas se suelen nombrar con la letra griega Tita “q” (en realidad la letra se llama teta, pero las profesoras de geometría la rebautizaron de este modo para evitar las bromas de los escolares). Por ejemplo la resistencia térmica entre la juntura y el ambiente se denomina qja y la resistencia térmica entre la juntura y el disipador se denomina qjd. Así como la resistencia eléctrica se mide en Ohm que equivalen a Volt/Ampere (Volt por Ampere) la resistencia térmica se mide en W/°C (Watt por grado Centígrado).

Con un ejemplo se entenderá mejor este concepto. Si usamos un transistor TIP3055 y una simulación nos indica que sobre él se disipa una potencia de 2W; podemos calcular a qué temperatura llegará su cristal si no utilizamos disipador. De las especificaciones del transistor observamos que el “qja” es de 36,7°C/W, es decir que si se disipan 2W se obtendrá una sobreelevación de temperatura de: 36,7 . 2 = 73,4°C Esta sobreelevación deberá sumarse a la temperatura ambiente máxima que deberá soportar el equipo que puede estimarse en 50°C dando una temperatura final del cristal de: 73,4 + 50 = 133,4°C Un cristal a esa temperatura puede funcionar en forma indefinida sin licuarse, pero no es conveniente que

trabaje de ese modo. A pesar de que la temperatura de licuefacción es de 150°C para el silicio, no es conveniente llevar al cristal más allá de los 100°C para evitar lo que se da en llamar stress o fatiga térmica de los transistores. En efecto, los ciclos térmicos de encendido y apagado producen dilataciones y contracciones del cristal que está montado sobre una pequeña chapa de cobre, soldada a su vez sobre la carcasa externa o sobre el pequeño disipador del transistor. Si ese contacto térmico se afloja con las dilataciones y contracciones, el transistor incrementa su qja y se calienta más, acelerando el proceso de destrucción.

Al mismo tiempo que cambian las características térmicas pueden cambiar también las eléctricas porque se incrementan las resistencia de los terminales (fundamentalmente la resistencia intrínseca de colector).

Observe el lector, que los transistores milagrosos no existen; si un buen transistor no tiene un adecuado disipador, sólo puede disipar un par de watt.

La elección de los transistores debe ser analizada por su costo ya que se puede usar un transistor con una resistencia térmica más elevada combinado con un disipador más grande.

La elección es siempre técnico económica. Verifique bien el precio de la chapa plana de aluminio o del disipador de aluminio y el precio de los probables transistores de salida.

Busque las especificaciones de los transistores en su viejo manual impreso o por Internet y léalas con atención (sobre todo debe buscar los coeficientes o resistencias térmicas; si no sabe leer bien en Inglés no se preocupe,

Tabla 2: Transistores a utilizar en el amplificador Figura 6 EXCITADOR PNP

EXCITADOR NPN

TRANSISTORES SALIDA

2SA 740 2SA 766 2SA 913 2SA 940 2SA 1011 2SA 1111 MJE 15029 MJE 15031 2SB 608 2SB 719 2SB 720 2SB 861 2SB 1037 2SB 1085 2SB 1190 2SA 490

2SC 1410 2SC 1448 2SC 1626 2SC 1669 2SC 1683 2SC 1913 MJE 15028 MJE 15030 2SC 2073 2SC 2167 2SC 2168 2SC 2344 2SC 2591 2SD 386 2SD 401 2SD 402 2SD 759 2SD 1138 2SD 1562 2SC 1089

MJ 15001 MJ 15003 MJ 15015 MJ 15024 2SD 172 2SD 173 2SD 174 2SD 175 2SD 176 2SD 211 2SD 212 2SD 727P 2SD 1213 TIP 35

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Figura 7

observando las unidades puede ubicarlos fácilmente porque todo lo que busca está en °C/W). ¿Cómo se calcula la resistencia térmica de un disipador?

Con grandes dosis de conocimientos sobre termodinámica. Como el autor se considera un lego en la materia buscó una forma empírica de resolver el problema y descubrió que el mejor método es postular un determinado disipador, que sea fácil de resolver, o adecuado para la estética del dispositivo y medir la temperatura del cristal para saber si es cercana a 100°C a máxima temperatura ambiente.

En el apartado siguiente le enseñaremos a medir la temperatura del crisFigura 8

tal. En lo que queda de éste, le proponemos que aprenda algo de termodinámica práctica. Para que un disipador sea eficiente, debe tener una forma tal que la relación entre su peso y su superficie exterior sea muy alta. Por ejemplo los disipadores aleteados son más eficientes que los planos, lo cual es muy fácil de entender porque calientan un volumen de aire mayor con igual cantidad de aluminio.

Un disipador no sólo debe tener la forma correcta; también debe estar ubicado de modo que el aire lo recorra libremente. Un disipador ubicado en una caja de plástico cerrada no disipa, porque el aire caliente no se puede evacuar. Si Ud. tiene dudas con respecto a la circulación de aire, recurra al viejo

truco del humo. Deje que el disipador llegue a su temperatura de trabajo, tírele humo (cigarrillo, papel carbónico encendido, aceite quemado, etc.) y observe si el aire circula libremente.

Por último lo invitamos a emplear la imaginación a la hora de elegir disipadores. Vale utilizar disipadores de microprocesadores de PC, con cooler incluido. Ud. se sorprenderá cuando vea la cantidad de aire caliente que puede extraer un disipador por aire forzado para una Pentiun IV. Claro que deberá asegurarse de que no se detenga el ventilador o que si se detiene se apague el amplificador. Un buen método consiste en colocar un diodo 1N4148 con un resistor en serie conectado a la fuente de baja tensión (12V por ejem-

Lista del Amplificador de 60W (cir - R11, R12, R16 - 1k cuito de la figura 8) R13 - 27 R14 - Pre-set lineal de 1k Q1, Q2, Q11 - BC548 - Transistores R17, R20 - 100 x 2W NPN de uso general Q3, Q4 , Q5 - BC558 - Transistores R18 - 15k R21, R22 - 0,39 x 5W PNP de uso general Q6 - BD140 - Tranasistor de audio R23 - 10 x 2W PNP C1, C7 - 150pF - Cerámico Q7, Q8 - BD139 - Transistores de C2 - 2,2µF - Electrolítico x 50V audio NPN C3, C8 - 47µF - Electrolítico x 50V Q9, Q10, Q12 y Q13, ver texto.

C4, C6 - 100µF - Electrolítico x 50V Led 1 - Led rojo de 5 mm D1, D2, D3 - 1N4007 - Diodos recti - C5 - 220µF - Electrolítico x 50V ficadores de 1A C9 - 0,1µF - Cerámico R1 - 220 R2, R3, R5, R7, R10, R15, R19 100 Varios: R4 - 15k Placa de circuito impreso, fuente R6 - 470 partida de ±35V, parlantes, conecto R8 - 10k R9 - 220 res, cables, gabinete, etc. plo). El resistor debe variarlo como para lograr una barrera de 500mV (por el autocalentamiento del diodo) y debe diseñar un circuito con un comparador de tensión y un relé que corte cuando la barrera se haga menor a 500mV. Si ahora coloca el diodo en el flujo de aire de la turbina, el diodo se enfría y la barrera sube. De este modo si se traban las paletas o se quema el motor el relé opera y desconecta el amplificador.

Medición de la Temperatura Tome uno de los transistores de salida y proceda a realizar un circuito como para medir su tensión de juntura a 1mA con un téster digital, como el de la figura 5. Tome agua corriente y coló-

quela en una pava u otro recipiente metálico. Coloque el transistor bajo medición dentro de la pava de modo que las patas de conexión no entren en el agua. Coloque todo el conjunto sobre una llama y observe como al calentarse el agua la barrera se va reduciendo.

Cuando el agua comience a hervir anote el valor de la barrera como VB100.

En el mismo recipiente, o en otro, coloque una mezcla por partes iguales de agua y hielo granizado. Revuelva el hielo por un par de minutos aproximadamente y unos 5 minutos después coloque el transistor sin sumergir sus patas en el agua helada. Observe como la barrera aumenta a un nuevo valor.

Anótelo como VB0.

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Amplificador de Audio de 400W Reales // Club SE // 7 Figura 9

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Con estos dos valores puede calcular cuántos mV por grado °C varía la barrera. Por ejemplo es típico un cambio de -2,5 mV por grado centígrado. Ahora debe colocar el transistor en el amplificador (sobre su disipador) pero no directamente, sino a través de una llave de dos polos dos posiciones. Ver la figura 6.

Observe que dibujamos una etapa de salida típica con el transistor Q1 conectado con una llave, para realizar la medición de barrera. Primero debe colocar en el amplificador una señal de 1kHz, que lleve la potencia de salida al 75% del total que es donde más energía se disipa en el transistor. Luego de un tiempo adecuado como para que se caliente el transistor, se mueve la llave y el multímetro que indica el valor de fuente pasa a indicar la barrera del transistor. Si esta barrera coincide con la de medición a 100°C, la juntura se encuentra a esa temperatura, si la barrera está 10mV por debajo de VB100, la temperatura es de 4 grados menos (es decir 96°C).

Cualquier otro valor lo puede sacar por regla de tres simple.

En una palabra, si Ud. sabe la regla de tres simple puede comprobar si un disipador es adecuado para su equipo. ¿Qué significa un disipador adecuado?

Es un disipador que con la temperatura ambiente máxima hace que la juntura llegue a 100°C, ni más ni menos. Si es menos tenemos un problema económico (salvo que a Ud. no le interese porque el equipo es sólo para uso personal). Y si es

Figura 10

más significa que debe diseñar un disipador con mayor superficie lateral.

El Amplificador El kit AUDI60W contiene sólo la parte de señal del amplificador; es decir que no incluye los transistores de potencia y los drivers. De ese modo le damos al lector la posibilidad de que elija la potencia más adecuada. En este apartado le damos indicaciones sobre el tipo de transistor a utilizar y la tensión de fuente recomendada.

La potencia normal de 60W se consigue con +35 y -35V y transistores 2N3055 de salida excitados por TIP29 y 30. Potencias más elevadas (100W) se puede conseguir utilizando una tensión de fuente de +42V y -42V con transistores de acuerdo a la tabla 2.

Queda a cargo del lector determinar el tipo de disipador a utilizar según los métodos propuestos en este artículo.

La etapa de entrada se encarga de la amplificación de tensión y de la realimentación del amplificador. ¿Pero qué es la realimentación?

La realimentación consiste en tomar una señal desde la salida del amplificador, atenuarla debidamente y restarla de la señal de entrada. El amplificador de potencia no amplifica entonces la señal de entrada, sino una señal compleja que se llama señal diferencial.

Todo esto se puede expresar también en forma matemática. Por ejemplo, si llamamos Ve a la señal de entrada y Vs a la señal de salida y entre la entrada y la salida colocamos una red de realimentación negativa con una atenuación At y el amplificador tiene una amplificación bruta (sin realimentación) de un valor Am. Podemos decir que la señal de salida se puede expresar de la siguiente forma:

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8 // Club SE // Amplificador de Audio de 400W Reales Figura 11

Figura 12

Figura 17

Figura 14

debe tener un valor tal que el divisor R2 R3 tenga aplicados 10V. En efecto como se trata de un divisor por 10 podemos decir que la señal de salida del amplificador es de 10V. Así se cumple la fórmula propuesta en (1) que reemplazando indica que la tensión de salida es: Vs = (Ve - Vs . At) Am 10 V = (1 - 10,001 . 0,1) 1.000.000 (2)

Figura 13 Vs

=

(Ve - Vs . At) Am

(1) El paréntesis es la verdadera tensión de entrada diferencial, que al multiplicarla por la amplificación bruta del amplificador nos da la tensión verdadera de salida. Una clara aplicación de este concepto, es el caso del amplificador diferencial con una realimentación externa por red resistiva. Ver la figura

7. Observe la indicación de los voltímetros de CA. El XMM3 nos indica que el generador entrega 1V de pico al resistor R1. Dado que el operacional tiene una elevada impedancia de entrada, la misma señal se aplica al terminal + del amplificador. Como el amplificador diferencial utilizado es una versión absolutamente virtual que tiene una ganancia de 1.000.000 de veces, se entiende que para que la salida tenga un valor com-

prendido entre la fuente negativa y la positiva la señal aplicada entre la entrada - y la + debe ser del orden de la decenas de µV. Observando el medidor XMM1 vemos que es exactamente de 10µV. Esto significa que el medidor del terminal negativo debería estar indicando 999.990µV. Dado que el display solo puede indicar 4 dígitos se lee el valor aproximado de 1V. Como la señal sobre el resistor inferior del atenuador (R2) es de 1V sobre la salida

Cuando la amplificación bruta es muy grande, la ganancia del amplificador tomada como Vs/Ve es la inversa de la atenuación. Esto significa que en la práctica el cambio de la ganancia bruta no modifica la tensión de salida, que solo depende de una relación de resistores.

Cuando el autor explica este tema en una clase, llegado a este punto, realiza una pregunta a la clase y anota todas las respuestas en el pizarrón. La pregunta es: para qué sirve la realimentación negativa. Hasta ahora nunca me

ocurrió que me dieran todas las respuestas; los alumnos sólo nombran algunas, pero se olvidan de la más importante. Piense en su respuesta y compárela luego con la siguiente tabla: a) Para reducir la distorsión b) Para ajustar la sensibilidad del amplificador c) Para reducir el ruido generado en el preamplificador d) Para mantener fija la tensión de CC de salida (mitad de fuente) e) Para evitar oscilaciones f) Para controlar la respuesta en frecuencia (aumentar o reducir) g) Para aumentar la resistencia de entrada h) Para reducir la resistencia de salida El que siempre olvidan los alumnos es el “h”, que con mucho es el más importante o podríamos decir indispensable. ¿Por qué? Un análisis elemental da cuenta que los parlantes tienen impedancias que como mínimo son de 3,2 ohm. Por lo tanto parecería que si el amplificador tiene una impedancia de salida 10 veces menor (0,32

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Figura 19 Figura 20

Figura 18

Tan es así, que los equipos profesionales de alta fidelidad se conectan a los parlantes con gruesos cables especiales que cuestan mucho dinero. A veces la cuarta parte del valor del bafle. Sin embargo, existe una solución mas económica y efectiva que consiste en considerar al parlante como un resistor de cuatro terminales y alimentarlo con dos cables gruesos para llevar la potencia y dos finos para tomar una muestra de audio para la realimentación. Dada la importancia de este tema debemos dejarlo para su terFigura 22

tabla 3 ohm) alcanzaría para excitarlo perfectamente sin mayores pérdidas de potencia.

Y en efecto así es, en lo que respecta a la potencia, pero hay algo más importante. Con resistencias de salida del orden de los 100 miliohm los parlantes tienen una importante distorsión

Figura 24

porque el cono no puede seguir a la señal en las transiciones abruptas que le exigen al mismo una aceleración y desaceleración inmediata. Es decir que una alta impedancia o resistencia de salida produce una elevada distorsión en el parlante y la realimentación es el medio que reduce ese factor.

minación en la siguiente entrega de esta serie en donde indicaremos que es la realimentación a 4 hilos.

En la figura 8 le brindamos el circuito completo del amplificador y en la

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Amplificador de Audio de 400W Reales // Club SE // 11 figura 9 el diagrama de la placa de circuito impreso. Ambos dibujos corresponden a la versión que incluye un disipador en “L” que se monta directamente sobre la plaqueta.

Amplificador de Potencia de 400W de Alta fidelidad Este proyecto está muy difundido y emplea configuraciones de transistores en paralelo. El circuito se muestra en la figura 10. En la figura 11 podemos ver una imagen del circuito armado en su placa fenólica y con disipador en los transistores. La etapa de salida (con transistores en paralelo) posee salida complementaria y por ello trabaja con transistores NPN y PNP, con una impedancia de salida de 4Ω lo que permite colocar 4 parlantes de 8Ω (2 parlantes por cada canal). Mire el circuito armado de la figura 12 para asegurarse cómo deben colocarse los componentes. En la figura 13 mostramos un detalle de la disposición de los transistores; cerciórese de ponerlos en la posición correcta, de no ser así puede quemar su amplificador o simplemente no funcionará. Los TIP42 tienden a calentarse bastante, por lo cual recomendamos colocarles un disipador de aluminio.

De la misma manera que para los otros dos amplificadores que hemos comentado, los transistores de salida van aislados del disipador con aislantes de mica y grasa siliconada, tal como se observa en la figura 14, la cual ayuda a transmitir el calor al aluminio.

En la figura 15 se puede observar la placa de circuito impreso y en la figura 16 la disposición de componentes sobre la misma. En la tabla 3 puede

ver el listado de materiales de Lista del Preamplificador (circuito de la R8= 120kΩ (marrón, rojo, amarillo) C6,C7= 4n7 (472) este amplificador de potencia. figura 22) R9= 3k3 (naranja, naranja, rojo) C8,C9,C23= 220nF (224) La fuente de alimentación R11=56kΩ (verde, azul, naranja) C10,C19,C20= .01nF(103) puede ser simplemente reali- DIODOS R12,R18,R27,R28,R30,R33,= 5k6 (verde, C15= 47pF zada con un transformador ZD1,ZD2,ZD3,ZD4 = zener de 12 volt x 1W azul, rojo) C17,C18,C21= 2n2 (222) con primario de acuerdo con R13,R31,R41= 22kΩ (rojo, rojo, naranja) la red local y secundario de INTEGRADOS R15,R16,R19,R20,R21= 470kΩ (amarillo, vio- CAPACITORES ELECTROLITICOS 50V + 50V x 8A, tal como IC1,IC2,IC3,IC4= TL072 leta, amarillo) C5,C25,C26= 10µF x 25V muestra la figura 17, utilizanR23,R25,R29= 47kΩ (amarillo, violeta, naran- C13,C28= 220µF x 25V do diodos de 10A de corriente TRANSISTOR ja) C27= 1µF x 25V máxima, y capacitores elec- TR1= FET K117, J113 o NTE469 R39= 470 Ohm (amarillo, violeta, marrón) trolíticos de 4700µF x 100V. VARIOS El circuito de la figura 18 RESISTENCIAS POTENCIOMETROS SW1,SW2,SW3,SW4 = LLAVES INVERSOcorresponde a un esquema R1= 1Mohm (marrón,negro,verde) P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7=Potenciómetros de RAS DOBLES para la fuente de alimentación R2,R6,R17,R22,R24,R26,R32,R38= 12kΩ 50kΩ J1= JACK MONOFONICO O ESTEREO sugerida para el preamplifica- (marrón, rojo, naranja) PARA IMPRESO dor. Este circuito no necesita R3,R14,R34,R37= 4k7 (amarillo, violeta, rojo) CAPACITORES CERAMICOS CON1= CONECTOR 6 PINES mayor explicación, se trata de R4,R7,R36,R40= 33kΩ (naranja, naranja, C1,C11= 100pF (101) CON2= CONECTOR 3 PINES una fuente simétrica regulada naranja) C2,C12,C14,C16,C22,C24= .1mF (104) Gabinete para montaje, estaño, cables, peride gran utilidad en proyectos R5,R10,R35= 220kΩ (rojo, rojo, amarillo) C3,C4= 560pF (561) llas, aislantes, etc. como preamplificadores y circuitos que necesiten tensiones estables. Puede proporcionar 15VDC por sección (-15 y +15), con un consumo de hasta 5A, dependiendo del transformador que le coloquemos a la entrada AC. La figura 19 muestra una sugerencia para la placa de circuito impreso. Una impreso similar puede emplear para la etapa de potencia, colocando los componentes comentados en la figura 17. Cambiando los valores de los reguladores Figura 23 conseguiremos la tensión que deseemos, por ejemplo: para apreciar la imagen de la fuente armada. La figura 24 muestra la placa del versión monoaural como esterefónica. conseguir 12V, debemos colocar los El circuito del preamplificador se amplificador, el preamplificador y las Quizá, lo importante para los que reguladores LM7812 y LM7912 res- muestra en la figura 21, está basado en dos fuentes de alimentación montadas recien se inician es que este proyecto pectivamente. Hay que tener en cuenta el Gallien Krugger 400 RB, publicado en un gabinete metálico. no requiere de ajustes y que el montaque para que los reguladores funcionen en www.forosdeelectronica.com con el Cabe aclarar que este preamplifi- je es sencillo pero requiere refrigeracorrectamente, la tensión de entrada circuito impreso que se muestra en la cador puede ser utilizado en cualquie- ción forzada (con ventiladores, tal debe ser unos 3V por encima del valor figura 22. La figura 23 muestra una ra de las tres etapas de potencia pre- como explicamos) si va a armar la del regulador. En la figura 20 podemos fotografía del preamplificador armado. sentadas en este artículo ya sea en la versión de 400W reales. ****** Figura 21