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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