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Electrónica Completa
Curso en línea gratis de Electrónica Completa por el Ing. Alberto Picerno
Amplificadores en puente
En los tiempos actuales las costumbres
para escuchar sonido en un vehículo llegan hasta un limite extremo. Si
Ud. esta en la calle primero se escucha el sonido y luego se observa el
vehículo. Esos amplificadores de potencia y esos bafles cuestan
muchos dólares. Nosotros no pretendemos tanto; pero si queremos algo mas
que los 2,3 W que puede dar nuestro amplificador elemental como limite
máximo teórico (en la práctica si llegamos a 2W deberemos considerarnos
conformes).
¿Y cómo funcionan esos amplificadores especiales para autos que
poseen tanta potencia? El auto tiene un limite práctico con respecto a
la tensión de fuente que no puede ser superado fácilmente. Son los 12V
de la batería (los vehículos mas grandes como colectivos y camiones
pueden tener una tensión de 24V y entonces el problema es menor).
¿Y en los autos como se supera la potencia que permite la batería?
Esos equipos especiales poseen un oscilador inversor que aumenta la
tensión de batería y que también permite generar tensión positiva y
negativa. Por lo general trabajan a +24V o a +-24V los de mayor
potencia.
Nosotros no vamos a hacer nada parecido. Se puede decir que vamos a
utilizar al propio amplificador para invertir la tensión de fuente.
Para entender el funcionamiento del amplificador en puente se
requiere que el alumno repase el funcionamiento del amplificador
elemental ya que un amplificador en puente esta construido con dos
amplificadores en push-pull exactamente iguales. Lo único que cambia es
la conexión del generador de señal y del parlante. Por favor repase el
capitulo 19 realice los ejercicios prácticos de reparaciones si aun no
lo hizo y vuelva aquí con todo el conocimiento fresco.
Amplificadores en puente
Nuestro amplificador elemental tiene más de un problema práctico:
- El primer problema es su baja potencia.
- El segundo es el uso de un capacitor de acoplamiento al parlante que
tiene considerables dimensiones y por supuesto un costo proporcional a
esas dimensiones.
Nuestro amplificador tiene un punto de estabilidad de continua en su
salida que es exactamente la mitad de la tensión de fuente. Si lo usamos
en un auto con batería de 12V estabiliza en 6V.
Si conectamos dos amplificadores a la salida inversora y directa de
un generador de funciones como en la figura 1 los dos amplificadores va a
funcionar perfectamente bien como dos amplificadores separados.
Fig.1 Dos amplificadores push pull separados pero excitados con señales inversas
Conectando un osciloscopio sobre los emisores de salida se pueden observar los oscilogramas de la figura 2.
Fig.2 Oscilograma de las dos salidas antes del capacitor de acoplamiento a los parlantes
Nota: en todas las experiencias elegimos una señal de entrada que
saturara mínimamente al amplificador para poder medir la potencia de
salida.
Esta figura debe ser analizada con todo detalle. Lo primero es
¿observar donde se cruzan los oscilogramas? Como el eje de cero volt fue
llevado a la parte inferior de la pantalla del osciloscopio, podemos
observar que los oscilogramas se cruzan exactamente en 6V. Esto equivale
a decir que si sacamos la señal de entrada ambas salidas se encontraran
a la mitad de la tensión de fuente; cosa que por supuesto ya
esperábamos.
Otro punto muy importante que debemos analizar es cuando estamos en
el pico negativo de la señal roja. Aquí podemos observar que la salida
roja está en -5V y la verde en 5V aproximadamente. La diferencia
entre esta dos tensiones es:
-5- (+5) = -10V
Luego analicemos cuando la señal roja esta en el pico positivo. En este caso el calculo sería
+5V – (-5V ) = +10V
Es decir que entre las dos salidas tenemos el doble de la señal que tendríamos entre una salida y masa.
El lector debería hacer este mismo calculo para varios puntos de las
señales de la figura 2 y luego unirlos para observar el resultado. La
misma operación se puede realizar automáticamente conectando un
osciloscopio entre las dos salidas.
Si además del osciloscopio se conecta el parlante entre las dos
salidas nos encontramos que ahora el parlante tiene aplicada una tensión
que varia entre -10V y +10V es decir 20V de pico a pico
aproximadamente. Exactamente el doble que lo que teníamos originalmente.
El circuito se llama amplificador en puente porque el parlante forma
un puente entre las dos salidas de los amplificadores. Para no cambiar
las características del circuito comenzamos colocando un parlante de 16
Ohms.
Fig.3 Circuito de amplificadores en puente con un parlante de 16 Ohms
La observación correcta del oscilograma de salida tiene algunos
detalles que deben tenerse en cuenta. La solución mas sencilla parecería
ser la conexión del osciloscopio sobre el parlante con la masa en el
amplificador de abajo y el vivo en el amplificador de arriba. Pero esta
solución no es viable porque el amplificador inferior debería mover al
parlante y además al gabinete del osciloscopio con todo lo que esto
significa (una gran capacidad entre el osciloscopio y la red de energía
domiciliaria y en algunos casos una conexión a la jabalina de puesta a
tierra si la clavija central del enchufe esta conectada al gabinete). El
osciloscopio virtual no tiene este problema y nos permite observar la
forma de señal sin inconvenientes.
Fig.4 Oscilograma de la salida con la masa del osciloscopio en el amplificador inferior
Pero en un caso real no se puede conectar la masa del osciloscopio
alegremente sobre la salida inferior. La solución es utilizar una
característica muy interesante de los osciloscopios modernos que es la
entrada diferencial y que el osciloscopio del Workbench posee.
Las entradas de señal al osciloscopio pueden seleccionarse:
- en el modo habitual de una entrada en cada canal (A y B)
- o en el modo suma que implica sumar la señal del canal A al la señal del canal B (A+B)
- pero también existe la posibilidad de invertir el canal B con lo
cual la representación de la pantalla sería la diferencia entre ambos
canales (A – B).
Por supuesto que en el modo A+B y A-B solo existe un oscilograma en
la pantalla. En la figura 5 se puede observar el modo en que debe
predisponerse un osciloscopio real o e osciloscopio de un simulador para
ver la señal de salida.
Fig.5 Señal de salida puente con osciloscopio real
Observe que la predisposición del osciloscopio es diferente en las
dos figuras en tanto que los oscilogramas son idénticos. En la figura 5
esta seleccionada la tecla Add (adicionar, abajo a la izquierda) y la
tecla – abajo en la sección del canal B.
El problema de la excitación
Hasta ahora ¿conseguimos mas potencia? Hagamos el calculo para una
amplificador teórico que saque 24V pap sobre un resistor de 16 Ohms. La
tensión de pico es la mitad es decir solo 12V y la tensión eficaz será
12/1,41 = 8,51V
la potencia es el cuadrado de la tensión eficaz dividido la resistencia del parlante es decir
8,512 / 16 = 4,52W
que es prácticamente el doble de la potencia teórica original de
2,26W. Pero podemos ganar mas potencia colocando un parlante común de 8
Ohms. En este caso la potencia será de
(12/1,41)2/8 = 9W teóricos (y 7,6 W en la realidad)
En la practica obtenemos un oscilograma como el de la figura 6 en
donde se puede observar que la salida de tensión máxima es de solo 8V y
no de 12 porque siempre hay dos amplificadores generando una perdida de
tensión de saturación del orden de 1,5V. De cualquier modo la potencia
de salida será de
(8/1,41)2/8 = 4W
Fig.6 Salida máxima con parlante de 8 Ohms
Disposición Darlington
Como vemos bajar la impedancia de parlante fue contraproducente
porque la potencia es menor que con 8 Ohms debido a la falta de
excitación de los transistores de salida. Esto implica un cambio en el
circuito. En lugar de usar un solo transistor de salida se utilizan dos
en una disposición que se llama Darligton por el científico que la
estudió. En la figura 7 podemos observar un verdadero circuito de
transistor Darlinton.
Fig.7 Verdadera disposición Darlington
Observe que hay dos transistores BC558 conectados entre si, de modo
que los colectores forman un solo punto de conexión formando un colector
simulado. La corriente que ingresa por la base de Q1 se amplifica en su
emisor y se aplica a la base de Q2 (y una parte se deriva por R2). La
corriente que ingresa por la base de Q2 es amplificada por este y sale
por su emisor. Si lo analiza bien el conjunto de dos transistores se
comporta como si fuera un solo transistor con un beta igual producto de
los beta de ambos transistores. En este caso si tomamos un beta de 300
para el BC558 podemos asegurar que el beta del circuito es de 300 x 300 =
90.000 en realidad las corrientes derivadas por R1 y R2 llevan el beta a
valores menores del orden de 3.000. Por esta razón estos circuitos
llevan también el nombre de superbeta.
En nuestro caso el circuito no tiene los colectores perfectamente
unidos por lo que en realidad no es un verdadero Darlington pero se
aproxima mucho. Lo importante es que toma muy poca corriente del driver y
tiene una caída de tensión de saturación muy pequeña lo que permite
obtener una tensión de salida lo mas alta posible. Piense que en le
circuito puente hay dos caídas de tensión de la etapa de salida y no una
como en amplificador push pull común (en el transistor superior para el
semiciclo positivo y en el inferior para el negativo). En efecto cuando
sale el semiciclo positivo existe una caída en el transistor superior
del amplificador superior y otra caída en el transistor inferior del
amplificador inferior.
Dada que existe el doble de caída de tensión es importante
investigarla y minimizarla. Los transistores tiene algo llamado caída de
tensión de saturación que es la mínima tensión que cae sobre ellos
cuando están plenamentes excitados y otra caída debida a la resistencia
de las zonas de colector y emisor. Sobre esta ultima todo lo que se
puede hacer es cambiar de transistor eligiendo uno con menos resistencia
interna o trabajar el amplificador a mayor tensión de fuente.
Donde podemos hacer mucho es en la excitación de la etapa de salida.
Porque un transistor mal saturado reduce la tensión máxima de salida
independientemente de la resistencia interna. Por esta razón se debe
recurrir a transistores Darlington de buena calidad o a fabricarlos con
dos transistores bipolares. Nosotros recurrimos a esta ultima solución
por un problema de consecución de materiales y porque podemos elegir una
conexión de colector mas beneficiosa para el circuito.
Fig.8 Circuito de audio con Darlingtons
Los oscilogramas de salida de este circuito con 8 y 4 Ohms de parlante se puede observar en la figura 9.
Fig.9 Oscilogramas de salida con 8 y 4 Ohms
Nuestro amplificador mejorado tendrá potencias de
(10,34/1,41)2/8 = 6,72W
para 8 ohms y
(10/1,41)2/4 = 12,57W
con lo cual nos damos por satisfechos ya que consideramos que 12W+12W
dentro de un vehículo es una potencia mas que suficiente para el uso
que nosotros queremos darle. Inclusive estamos seguros que la potencia
será mayor porque la tensión de batería de un auto no es precisamente
12V. Cuando la batería se esta cargando desde el alternador, la tensión
llega a 13V si la batería es nueva y a 13,5 si esta llegando al final de
su vida util. Y ese pequeño incremento de tensión significa que la
potencia será de
(11,41/1,41)2/4 = 16,36W
Para hacer cifras redondas podríamos decir que nuestro amplificador es de:
- PARLANTE 4 Ohms 8 Ohms
- POTENCIA 15W 8W
El inversor de entrada con control de volumen
Existen muchos modos de conseguir una señal invertida para la entrada
de los dos amplificadores del puente de amplificadores pero de todos
los modos el mas simple es utilizar un transistor inversor, lo cual nos
permite estudiar un clásico circuito que tiene muchas utilizaciones.
Además en el mismo circuito ubicamos un potenciómetro que operará como
control de volumen. En la figura 10 se puede observar el circuito
completo.
Es muy poco lo que se puede decir del circuito agregado que el alumno
aun no conozca. Lo primero es que el inversor de entrada y los
circuitos que vamos a agregar para el control de tono y la alimentación
de la grabadora con radio USB necesitan una fuente de alimentación
limpia separada de la salida con un regulador de 9V. Luego el circuito
del inversor es el clásico de un amplificador pero que al tener el mismo
valor de resistencia en emisor y colector amplifica por uno e invierte
que es lo que estamos buscando.
Fig.10 Amplificador para automóvil con inversor y control de volumen
Conclusiones
Así terminamos de diseñar nuestro amplificador de audio apto para
conectar a la salida de una grabadora USB de esas que están tan de moda
en la actualidad. Grabe su música preferida desde la PC y luego
reprodúzcala en alta fidelidad dentro de su automóvil. Dos parlantes
coaxial para auto que soporten 15W y unos buenos bafles le permitirán
sentir los bajos en el estómago y si los parlantes están bien ubicados
podrá escuchar unos hermosos agudos, ya que nuestro amplificador
reproduce con toda fidelidad la banda de audio completa.
¿Y el circuito impreso? De eso nos encargaremos en la próxima
lección. Pero no solo le vamos a dar el circuito impreso sino que según
nuestra costumbre le vamos a explicar como se diseña un impreso con un
programa para PC, el dibujador del Live Wire que se llama PCB Wizard que
es muy simple de utilizar.
Un impreso debe ser bonito y ordenado pero no basta con eso. El
diseño del impreso debe tener en cuenta cosas como la distribución de
masas y de fuentes. Y algo mas importante, las entradas y las salidas
debe estar separadas para evitar efectos de realimentación que puedan
provocar oscilaciones. Y como si esto fuera poco un buen impreso puede
tener dibujados resistores de muy bajo valor con la misma pista, ya que
muchas veces son difíciles de conseguir (y caros).
¿Y como fabrico el circuito impreso? ¿Debo pintarlo a mano? No,
nosotros le vamos explicar como hacerlo con una fotocopia láser, una
plancha para ropa, un poco de ácido (Percloruro de hierro) y agua tibia.
Y le puedo asegurar que probablemente tenga mas calidad que un circuito
impreso de producción.
Nuestro curso es un curso de formación para técnicos y nos tomamos el
trabajo de enseñarle todo lo que un técnico debe saber en la
actualidad; no solo la teoría; le enseñamos también a construir con
ejemplos y fabricar un amplificador de audio, que es uno de los trabajos
que todo reparador debe realizar alguna vez en su vida.
Y nuestra plaqueta va a ser tan profesional que hasta va a tener
layout de materiales para simplificar el trabajo de armado. Y por ultimo
va a tener una fotografía de la plaqueta terminada entregada
directamente por el PCB Wizard apenas se termina el trabajo de diseño,
tan natural que los resistores tienen los colores pintados.
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