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Uno de los pedidos más frecuentes de los
principiantes en Electrónica es un amplificador,
para poder conectar a una PC o a un Discman. Hace
tiempo publicamos uno, pensado en brindar la mayor
fidelidad posible, pero era complejo y no toleraba
muy bien el reemplazo de algunos componentes. En
este caso recorro el camino inverso: trato de hacer
el amplificador lo más sencillo que se pueda,
sin perder en absoluto fidelidad, para que los que
recién empiezan puedan disfrutar del montaje
de este pequeño pero eficaz dispositivo,
que hará las delicias de más de un
audiófilo.
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Para desplazar el cono de un altoparlante, y así
escuchar música, debo tener en cuenta ciertos
presupuestos: en primer lugar la potencia a desarrollar
por el amplificador. Para este caso elegí una
potencia de 40 Watts RMS, suficiente para un amplificador
hogareño y que no presenta problemas con la
tensión de trabajo o la disipación de
los transistores de salida. Para lograr estos 40 Watts
voy a necesitar una cierta cantidad de tensión
y una cierta cantidad de corriente para poder accionar
el altoparlante, que por Ley de Ohm calculamos con
las fórmulas de la fig. 1.
Por lo que vemos, necesitamos un dispositivo amplificador
que pueda generar en la salida una tensión
de por lo menos 18 Volts (eficaces) y que administre
una corriente de 2,2A como mínimo, teniendo
en cuenta que la impedancia normalizada de un altavoz
de alta fidelidad es de 8 ohm.
En un amplificador de audio existen dos bloques fundamentales:
el amplificador de tensión (desarrollado en
base a un amplificador diferencial) y el amplificador
de corriente (que son los transistores de salida,
adaptando la alta impedancia de salida del diferencial
a la baja impedancia del altoparlante).
En la figura 2 vemos por qué amplifica el operacional.
Recordemos que un amplificador de audio moderno es
un gran amplificador operacional.
Por definición, el amplificador operacional
trata de mantener equilibrada la diferencia de potencial
entre las entradas inversora y no inversora. Como
vemos en el primero, conectado como seguidor, si sube
1V la tensión sobre la entrada no inversora,
la salida sube también 1V para compensar la
diferencia e igualar las dos entradas. Veamos el caso
del segundo operacional. Aquí hay un divisor
resistivo en la cadena de realimentación, por
lo que, si la entrada no inversora sube 1V, la salida
tiene que subir 2V para que el divisor resistivo me
entregue 1V a la entrada inversora y así equilibrar
las entradas. Con este truco hemos logrado amplificar
en tensión, ya que la salida es dos veces la
señal de entrada. Si colocamos un divisor por
10 en la realimentación obtendremos en la salida
10 veces la tensión de entrada. Obviamente
hay que alimentar el operacional con las tensiones
y corrientes adecuadas para obtener esas excursiones
de tensión sin problemas.
Con respecto a esto volvamos a nuestro amplificador
de 40W.
Veíamos en la primer fórmula que se
necesitaban 18V eficaces para lograr una potencia
de 40W. Por lo tanto, la tensión de pico del
amplificador debe ser de 18V por la raíz cuadrada
de 2, lo que nos da un poco más de 25V. Le
sumamos a esto unos 5V por pérdidas en los
transistores y vemos que necesitamos una tensión
mínima de 30V para los picos positivos y -30V
para los picos negativos. Por eso utilizamos en este
diseño una fuente partida con el 0V a masa
y dos salidas, una de + 30V y una de - 30V.
Otro punto a tener en cuenta es la polarización
de los transistores. La base debe estar 0,7V más
alta que el emisor, de lo contrario el transistor
no encendería en el paso por cero de la señal
de audio, sino 0,7V más arriba, ocasionando
una seria distorsión que se denomina por cruce,
como vemos en la figura 3.
Otro detalle a tener en cuenta en el diseño
del amplificador es la ganancia en tensión
que debe desarrollar. En el peor de los casos será
conectado a una salida de línea de una cassetera
o un sintonizador de FM, que tiene una salida de línea
normalizada de alrededor de 250mV. Para lograr una
excursión de 18V debe tener una ganancia en
tensión de 18 / 0,250 = 72. La relación
de amplificación de tensión en un operacional
se da con la relación de resistencias de realimentación.
Por las dudas le damos un factor de amplificación
de 82 y le colocamos un preset en la entrada para
bajar la ganancia en caso de utilizar fuentes con
mayor salida. Este preset se regula de forma que,
con el volumen al máximo, el amplificador no
distorsione, porque el exceso de distorsión
puede quemar los tweeters e incluso los transistores
finales.
Veamos ahora una explicación detallada del
circuito del amplificador de 40W, mostrado en la figura
4:
Vemos que la señal de entrada ingresa por un
preset para regular el volumen máximo y un
capacitor, preferentemente no polarizado de 10µF
a la base de uno de dos transistores BC548 configurados
como par diferencial (corazón de un amplificador
operacional). Un capacitor de 100pF deriva las componentes
de muy alta frecuencia a masa, dado que pueden hacer
oscilar el equipo. Un resistor de 82kž polariza
el primer transistor y tiene como referencia la masa
del sistema (0V). Para que el par diferencial trabaje
equilibrado, es necesario alimentar sus emisores con
una fuente de corriente constante, trabajo que realiza
la resistencia de 47kž que se alimenta de una
fuente de tensión constante como es el diodo
zener de 24V. Este, asimismo, se alimenta de un sistema
que elimina los transitorios de tensión que
puedan llegar a producirse en la tensión de
salida por medio del filtro creado a partir del diodo
1N4007, el capacitor electrolítico de 47µF
y la resistencia de 1kž.
En el colector del transistor PNP BD140 tenemos ahora
la tensión de entrada amplificada 82 veces,
de acuerdo a la relación de la resistencia
que alimenta la entrada inversora (segundo transistor
BC548) y su derivación a masa (1kž a través
de un capacitor de 47µF). Este transistor alimenta
un par de transistores 2N3055 en simetría cuasi
complementaria. Este par de transistores junto a dos
drivers BD139 y BD140 son el amplificador de corriente,
dada la enorme ganancia de corriente de esta configuración,
típicamente de 1.000; por lo que, si en la
salida debe entregar 2,2A, habrá que excitar
la base con solamente 2,2mA, haciendo que el amplificador
de tensión trabaje “liviano” o “suelto”,
pudiendo reproducir con fidelidad la señal
de entrada. ¿Cómo es esto? Imaginen
que tienen que sacudir una mano imitando el aletear
de un pájaro. Con la mano libre lo pueden hacer
con rapidez, pero si la cargamos con una bola de bowling
no podremos moverla mucho. Con los amplificadores
pasa lo mismo: el amplificador de tensión se
pone “pesado” si a su vez tiene que alimentar
una carga de baja impedancia, por eso, cada uno hace
su trabajo.
Vemos, asimismo, que las bases estás interconectadas
entre sí por cuatro diodos (uno por cada juntura
de transistor de salida) que polarizan los transistores,
de forma que en estado de reposo (sin señal
de audio) dejen pasar una pequeña corriente
(entre 10 y 20mA) para evitar la distorsión
por cruce. Esta corriente se ajusta con el preset
de 500ž.
Nos queda entonces, analizar una red compuesta por
dos resistencias de 4k7 y un electrolítico
de 47µF. Esta red se conoce como “bootstrap”
y evita que ante una excursión muy grande de
la tensión de salida (a alto volumen) falte
tensión para saturar el conjunto de transistores
BD140 / 2N3055. El capacitor de 0,1µF y la resistencia
de 10ž amortiguan los efectos que puede producir
una componente reactiva (el parlante) sobre el amplificador
y disminuyen las oscilaciones de alta frecuencia.
La fuente partida de alimentación la podemos
ver en la figura 5.
Los transistores de salida deben manejar una corriente
importante, por lo que generan una cantidad de calor
que debe ser disipada. Para ello hay que montarlos
sobre un disipador, pero proveyéndole aislación
eléctrica por medio de micas o separadores
aislantes, que dejan pasar el calor pero impiden el
contacto eléctrico de las carcasas de los transistores
que como sabemos, son el Colector de los mismos. Lo
veremos en la figura 6.
El ajuste de la corriente de reposo es muy simple:
para que el amplificador funcione bien a bajo volumen,
debe circular por el par de transistores de salida
(Sin señal, o sea con el volumen completamente
bajo) una corriente de por lo menos 20mA, que ajustaremos
desplazando en el sentido de las agujas del reloj
el preset de 500ž. Insertamos de una de las resistencias
de 0,47ž / 2W las puntas de un multímetro
en la escala de 200mV.
Utilizando Ley de Ohm vemos que una corriente de 0,02A,
atravesando una resistencia de 0,5ž, provoca
una diferencia de potencial de 0,01V. Ajustamos entonces
el preset hasta que el multímetro lea 10mV
(0,010V). Otro punto a tener en cuenta en el montaje
en el gabinete, es el de enviar las masas a un solo
punto en el chasis. Si desparramamos las tomas de
tierra por todo el gabinete metálico nos generará
ruidos y oscilaciones indeseables que pueden hacer
calentar los transistores de salida de forma inapropiada. |
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De
la Redacción de la Revista Saber Electrónica
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