AMPLIFICADORES DIGITALES

Arme un amplificador Digital de Audio de 60W de excelente calidad.

INTRODUCCION

Lo último en amplificadores de potencia son los amplificadores digitales a PWM. Tratemos de entender el nombre. Un dispositivo digital trabaja con salidas que son un alto o un bajo, no hay valores intermedios. Si pudiéramos fabricar un parlante digital tendría tal vez 8 o 16 patas de entrada y una pata de masa. Aplicando tensión a una sola entrada el cono se movería un poco. Aplicando tensión a dos entradas se movería algo más y así sucesivamente hasta poner todas las entradas en el estado alto en cuyo caso el cono se movería al máximo. Así se irían generando las tensiones instantáneas de audio.

Esta no es una idea teórica imposible de llevar a la práctica; es más, como el autor no puede entender como no se realizaron aún dispositivos de ese tipo, está realizando algunas experiencias para comprobar su viabilidad.

Pero ese parlante no existe por ahora. Sin embargo, un circuito integrado digital puede generar una señal PWM equivalente a una señal digital con la ventaja de que solo emplearía una pata de conexión. Los reparadores están acostumbrados a las señales PWM así que nos ahorramos los comentarios sobre las mismas. Ejemplos de señales PWM las tenemos en las salidas de los servos digitales de los reproductores de CD y fueron estudiadas aquí cuando tratamos el servo de velocidad. En los videograbadoras con servo digitales, del tipo utilizado en las videos PANASONIC 2010 y similares, también se utilizan señales PWM como tensiones de error de velocidad. Sin embargo, el uso más común son las salidas de control de brillo, contraste, color, etc, de la mayoría de los TVs. Todas ellas son señales PWM que se transforman en señales analógicas con el solo agregado de un filtro a RC, que filtre las componentes de alta frecuencia y deje sólo el valor medio de la señal PWM.

Pues bien, un amplificador de audio PWM funciona del mismo modo. El conversor D/A del reproductor de CDs típico se convierte en un D/PWM con un periodo de muestreo idéntico al periodo de muestreo de la norma CD, es decir de 44,1kHz. Con esa señal PWM se opera una llave de potencia a MOSFET, que está conectada por un lado a la fuente de alimentación y por otro al parlante, a través de un filtro de valor medio adecuado a la corriente del parlante.

Para entender los principios de funcionamiento, es conveniente estudiar primero la forma de generar una señal PWM partiendo de una señal analógica, aunque en realidad en un equipo moderno como un CD o un DVD las señales nunca se transforman en analógicas.

Directamente se decodifican como PWM. Luego la filtraremos y las aplicaremos a un parlante de alta impedancia (por ejemplo de 1000 Ohm). Ver figura 1.

En esta figura el lector puede observar como la señal analógica de entrada colocada en el Terminal positivo, se procesa para que aparezca como una senoide con ripple sobre el parlante de alta impedancia. En realidad lo más interesante es cómo la señal del generador de 1kHz se transforma en una señal PWM en la salida del comparador ideal de tensiones. El autor necesitaría 1000 palabras para poder explicar la generación de la señal PWM de periodo de actividad variable, a razón de 1000 veces por segundo que es una fiel representación de la señal senoidal de entrada. Pero el workbench nos facilita enormemente las cosas, porque la señal se ve como un dibujo animado muy fácil de entender. En la figura 2 se puede observar una instantánea del proceso de formación.

Nuestra red RC sólo recupera el valor medio de la PWM y lo hace generando un pequeño ripple que no tiene mayor importancia en un circuito de demostración. De cualquier modo ese ripple es de una frecuencia de 41kHz y por lo tanto completamente inaudible. Se ve pero no se escucha.

Se pueden fabricar parlantes de tan alta impedancia como 1kHz pero es muy difícil. Esos parlantes utilizan un alambre muy fino bobinado en varias capas y se trata de una tecnología muy vieja porque se utilizaba para amplificadores sin transformador de la época de la válvula. En esa época era Philips el que propugnaba ese tipo de circuitos con parlantes de 80 Ohm.

En realidad el circuito de aplicación no es el mostrado. Ese circuito se muestra sólo a título didáctico ya que el circuito real funciona con una red RL, tal como se puede observar en la figura 3.

Esa red RL es realmente un parlante en el que se busca aumentar la inductancia a los valores indicados. Esto es inverso a un parlante común, donde se busca minimizar la inductancia y que el parlante se comporte como una carga resistiva pura en lo posible.

 
¿EN DONDE ESTA ENTONCES EL AMPLIFICADOR DE POTENCIA DIGITAL?

No está, no existe tal como lo conocemos, se tranformó en una llave que se cierra y se abre y que en nuestro circuito está incluida en el comparador de tensión que tiene una muy baja impedancia de salida capaz de soportar la resistencia de carga del parlante. Si de circuitos reales se trata, le mostramos el de la figura 4. Allí el comparador es real y con una resistencia de salida de 50 Ohm. En este caso un par de transistores complementarios Q1 y Q2 se encargan de prestar la baja impedancia necesaria para excitar al parlante. Este sería el amplificador de potencia en su más mínima expresión.

 
¿CUALES SON LAS VENTAJAS DE ESTE SISTEMA?

En principio el rendimiento. Las llaves sin resistencia interna y sin fugas no generan calor y los transistores agregados en la figura 10 son simples llaves que bien podrían ser algún moderno MOSFET de conmutación (no los especiales de audio que son caros, sino los adecuados para fuentes conmutadas que son baratos). Y si las llaves son perfectas no se calientan y no se necesitan disipadores. El consumo energético del mismo equipo no se reduce mucho (tal vez un 30%) pero el equipo no calienta al ambiente y hace falta menos refrigeración, es decir que indirectamente hay un beneficio.

Otro beneficio es que los equipos se achican considerablemente y eso permite suponer que se podrá realizar una integración en gran escala. Mayor rendimiento y menos calor significa mayor confiabilidad porque no hay dilataciones y contracciones de los chips.

Aquí el lector seguramente se estará preguntando: ¿y dónde está el control de volumen, el control de tono, los circuitos reductores de ruido tipo dolby, la entrada de micrófono, el eco, los generadores de ritmo, los medidores de salida y toda la parafernalia que suele poblar un equipo de audio de la actualidad, que menos picar carne hace de todo? No existen en la forma en que los conocemos hoy en día. Su única posibilidad de existencia consiste en transformarse en dispositivos virtuales existente con forma de un microprocesador que se conectaría entre la salida digital de 16 bits del decodificador de CD y la entrada del conversor D/PWM.

 
¿QUE QUIERO DECIR CON VIRTUAL?
Tomemos por ejemplo el caso del control de volumen. Los estados altos de las 16 salidas del decodificador de CD representan números binarios de 16 bits. Esos números son precisamente las muestras de audio que van apareciendo en rápida sucesión y que el autor gusta de considerar como audio virtual (en realidad hay dos puertos de audio virtuales porque el sistema es estereofónico).
 
¿QUE SIGNIFICA AMPLIFICAR ESTAS MUESTRAS VIRTUALES DE AUDIO?
Significa multiplicarlas por un número como lo haría una calculadora de mano, sólo que mucho más rápido y a medida que aparecen los datos en el puerto de entrada y acumulándolos corregidos en el puerto de salida. Una atenuación significa un producto por un número menor a la unidad o un cociente. Esto no es más que un potenciómetro virtual.

El control de tono es algo más complicado, porque la atenuación o amplificación dependen de la velocidad de variación de los datos (graves o agudos) que se deben atenuar o amplificar según una curva elegida por el usuario. El Dolby funcionaría de un modo similar, es decir que todo se transforma en operaciones matemáticas.

Parece todo muy simple porque al fin y al cabo se trata de un problema de programación. Sin embargo, la velocidad de operación que se requiere para todos las correcciones hace que el problema no pueda ser resuelto en el estado actual de la técnica. Pero no falta mucho, según la ley de variación de la velocidad de las computadoras tal vez, en un par de años, se pueda resolver el problema.

Mientras tanto siempre nos queda el recurso de trasformar las señales digitales en analógicas, procesarlas como siempre lo hicimos con dispositivos analógicos y luego transformarla en una señal PWM para amplificarlas con dispositivos de rendimiento casi unitario. Probablemente el año próximo tengamos los primero equipos PWM en un lanzamiento conjunto en todo el mundo, por parte de las compañías dedicadas a audio y video.

Como conclusión, podemos decir que la etapa más simple de otros tiempos es ahora quizás la más compleja ya que volvió a ser una etapa armada con componentes discretos y con circuitos de alto rendimiento del tipo cuasidigital. Esto no es algo del futuro. Salvo los amplificadores digitales, que aún no llegaron al mercado, todos los otros están vigentes y son el problema de todos los días.

Los AIWA F9 con el amplificador de potencia destrozado son algo habitual. Los daños no son infringidos en un intento de sabotaje al cliente; son la consecuencia de diversos e inútiles intentos de reparación. Pues bien, nosotros le vamos a enseñar un método de reparación infalible con el cual le garantizamos que jamás va a quemar un Darlington o una pista del circuito impreso, ni siquiera va a quemar un fusible. Y no le miento, es imposible que ocurran estas cosas porque los Darlingtons se sacan del equipo y se guardan hasta que todo esté probado y el equipo emita música (sin potencia por supuesto) y recién entonces se vuelven a colocar los Darlingtons cuyo valor actual es de 6 a 15 dólares (y son 4 que se queman juntos).

 
AMPLIFICADOR DE 60W REALES DE ULTIMA GENERACION
El primer proyecto que encara un estudiante de electrónica es casi siempre un amplificador de audio. Del mismo modo un técnico que recién comienza con sus actividades lo suele hacer comenzando con la reparación de equipos de audio. Si su idea es comenzar a producir algún equipo electrónico en nuestro país, podría ser interesante incursionar en el tema del audio, ya que se trata de equipos voluminosos de elevado valor agregado.
 
¿QUE AMPLIFICADOR ME CONVIENE CONSTRUIR?
En audio hay para todos los gustos. Más aún, la editorial me pidió un kit que sea un proyecto con vida propia. Esto significa que Ud. lo puede armar con todos los datos que le damos y le aseguramos que va a cumplir las especificaciones de fábrica. Pero también le damos:
  • 1) los circuitos,
  • 2) los planos de armado,
  • 3) la lista de materiales,
  • 4) los archivos de Workbench,
  • 5) el servicio de prueba y ajuste de la unidad construida por Ud.

Todo esto lo podrá bajar de nuestra web en www.webelectronica.com.ar con la clave: “ampli”. Con toda esta ayuda pensamos que el proyecto es ideal para modificar y volver a modificar todas las veces que Ud. lo desee. Por ejemplo si Ud. quiere lograr más potencia puede cambiar los disipadores

Ud. se preguntará: ¿para qué voy a comprar el kit en la editorial si puedo comprar los materiales y armarlo por mi cuenta?. Porque seguramente le va a salir más caro. Nuestro consejo es: tome la lista de materiales, pregunte los precios en su proveedor habitual; sume y luego venga a comprar el kit 60W en la editorial.

 
EL PREAMPLIFICADOR
En la figura 5 se puede observar la sección de entrada del amplificador. Ella tiene la función de realizar la amplificación de tensión del sistema. En líneas generales se puede decir que la señal original se amplifica primero en tensión, luego en potencia media y por último en potencia alta. Las etapas que realizan estas funciones se llaman genéricamente; preamplificador, excitador y salida respectivamente. En este apartado vamos a indicar las características del preamplificador. En los equipos más modernos se utilizan siempre amplificadores diferenciales (ver figura 5). La razón de esto debemos buscarla en la baja distorsión total de la etapa. En realidad deberíamos decir que las dos entradas de esta etapa tienen una distorsión considerable; pero la distorsión de una de las secciones se anula con la otra, de modo que la distorsión total es muy baja.

En un amplificador diferencial las ramas del mismo trabajan en el modo complementario de corriente. La corriente por ambas ramas están determinadas por el transistor generador de corriente Q4, que genera una corriente determinada por una fuente estable de tensión conectada entre la fuente positiva y la base y por el valor del resistor de emisor. La fuente de tensión en este caso es el led LED1 que además opera como piloto.

La corriente de colector de Q4 de aproximadamente 4mA entra al par diferencial, en donde se dividirá en dos partes de 2mA cada una que circulan por Q5 y Q2. El circuito parecería desbalancearse cuando se aplica tensión de entrada, pero realmente no es así ya que el circuito de salida y la red de realimentación responden generando una tensión exactamente igual a la de entrada. El resultado es que las corrientes siguen siendo siempre las mismas (2mA) cualquiera sea el valor de la tensión de entrada. Si no colocamos la carga de la etapa excitadora estas corrientes son siempre iguales ya que las ramas no se pueden diferenciar entre sí. Sin embargo, el agregado de los transistores Q1 y Q3 que forman un circuito “espejo de corriente” hace que las corrientes vuelvan a dividirse por dos aún con la carga de la etapa excitadora. Observe que el circuito tiene una perfecta simetría de corriente. Esto significa que la distorsión por variación del beta con la corriente no existe, si los transistores Q2 y Q5 son del mismo tipo. O por lo menos se puede asegurar que la distorsión es mínima si Q2 y Q5 son fabricados al mismo tiempo. Si además Ud. Se toma el trabajo de aparearlos midiendo el beta de los transistores este circuito puede considerarse como extremadamente lineal.

 
LA ETAPA EXCITADORA
En un equipo moderno no se utiliza bootstrap. En efecto, la realimentación provocada por el electrolítico de bootstrap es positiva y por lo tanto se lo puede considerar como una fuente de distorsión sobre todo en baja frecuencia. El bootstrap es necesario para que los transistores de salida lleguen a una tensión de salida cercana a la de la fuente positiva. Cuando no se utiliza bootstrap se debe cambiar la disposición de la etapa driver de modo que en lugar de resistencia de carga de colector tenga como carga a un generador de corriente. Ver la figura 6.

La etapa driver está realmente formada por los transistores Q6 y Q7 en disposición Darlington con el fin de incrementar la impedancia de entrada para disminuir la carga del preamplificador. El capacitor C5 genera un cero en la respuesta para frecuencias superiores a las audibles.

Por lo común, la carga de esta etapa es un resistor conectado a la fuente positiva. Pero cuando la salida de la etapa de potencia comienza a acercarse a la fuente positiva, este resistor se queda sin tensión aplicada (el terminal superior a fuente y el inferior acercándose a fuente) esto significa que la salida deja de subir y se pierde potencia. Para que esto no ocurra el resistor se parte en dos resistores y en la unión se conecta un capacitor electrolítico con el terminal negativo sobre la salida del amplificador.

Esto elimina el problema de la disponibilidad de tensión, pero genera una distorsión incompatible con los usos y costumbres actuales.

En nuestro amplificador no usamos bootstrap y para reducir el problema de la excursión máxima de señal de salida, reemplazamos la resistencia de carga del excitador por una fuente de corriente que utiliza la misma tensión estabilizada que el generador de corriente del preamplificador. El transistor Q5 se encarga de generar una corriente de aproximadamente 10mA, que se conservan constantes cualquiera sea la tensión de salida. Con este circuito se puede excursionar la salida hasta aproximadamente 5V menos que la fuente.

 
LA ETAPA DE SALIDA
Si bien existen un par de transistores complementarios 2N3055 y 2N2955 el PNP (2955) es más caro que el NPN (3055) y es el que habitualmente se quema cuando se ponen los bafles en cortocircuito ya que por alguna razón es el más débil del par. Por esa razón preferimos utilizar una salida cuasi complementaria que cumple la misma función pero a menor costo. En realidad se deben vencer dos barreras por lado lo cual significa que también se perderá disponibilidad pero no tanta que nos obligue a usar un transistor más caro. Ver la figura 7.

Los transistores a utilizar pueden ser varios pero el kit viene provisto con dos 2N3055, TIP31C y TIP32C que cumplen sus funciones correctamente y a un bajo costo. Sin embargo, si Ud. lo desea, más adelante puede mejorar las prestaciones colocando transistores más especializados.

De izquierda a derecha comenzaremos la descripción por el transistor Q3. El mismo cumple la función de ajustar la tensión entre las bases de los transistores cuasi complementarios.

De acuerdo a la relación del divisor de base, se genera una tensión equivalente a cuatro barreras entre el emisor y el colector de Q3. Como Q3 se encuentra térmicamente acoplado con el disipador de salida; la tensión generada se ajusta automáticamente de modo tal que los transistores de salida tienen una corriente controlada de vacío que se puede ajustar entre 2 y 6mA con el potenciómetro R1.

Los transistores Q2 y Q4 forman el transistor NPN simulado y Q3 y Q4 el PNP. Los resistores R6 y R7 cumplen la función de linealizar la impedancia de base de la salida y colaborar en la estabilidad térmica del conjunto.

Los diodos D2 y D3 son simple protecciones contra tensiones que ingresan por el cable del parlante cuando se producen cortocircuitos o fugas a cables de alimentación.

Observe que con el agregado de los mismos la tensión de salida puede variar libremente entre las fuentes negativa y positiva, pero si la tensión de salida excede en más o en menos de una barrera a las tensiones de fuente positiva y negativa, conduce uno de los diodos limitando la tensión con los resistores R6 y R7 actuando como limitadores de corriente o fusistores.

El diodo D1, sirve para que el circuito de salida tenga una perfecta simetría de entrada. Sin él, el driver vería dos barreras con excursiones positivas y sólo una con excursiones negativas. Un parlante siempre se considera como una carga resistiva. Pero en realidad tiene importantes componentes inductivas que no pueden despreciarse cuando el parlante es excitado con frecuencias elevadas de audio. Por esa razón se agrega la red R8 y C1 que compensa las características inductivas del parlante recomendado para este amplificador y de la mayoría de los parlantes comerciales.

 
CIRCUITO COMPLETO Y CARACTERISTICAS MAS IMPORTANTES
Uniendo los tres bloques importantes vistos con anterioridad se logra un amplificador de excelentes características, ideal para el audiófilo exigente (vea la figura 8). Pero falta aún enumerar una de las secciones más importantes del amplificador: la red de realimentación formada por R18, R9 y C5.

En efecto, si sólo acopláramos una etapa a la otra obtendríamos un dispositivo con una gran amplificación, pero con una elevada distorsión y una pobre respuesta en frecuencia. La red de realimentación toma una muestra de la salida y la realimenta a la entrada con varios fines:

  • A) Adecuar la sensibilidad a un valor de 500mV en el punto de recorte.
  • B) Reducir la distorsión armónica total a niveles inferiores al 0,05% a media potencia y
  • C) obtener una respuesta en frecuencia de 25 a 20kHz a 3dB.

En cuanto al corte de alta frecuencia puede ser obtenido de diferentes modos; uno de ellos es la realimentación desde colector a base del transistor Q3 por C1 y desde la entrada a la salida del excitador por C7.

Con esto se evita complicar la red de realimentación de bajos y poder manejar la respuesta independientemente. Las características resumidas de este amplificador se pueden observar en la tabla de la figura 10.

Como indicación general podemos decir que el amplificador descripto en este artículo admite el uso de una carga de 8 Ohms, pero probablemente deban incrementarse el tamaño de los disipadores y cambiar los transistores de salida por otros de mejores características.

Esta fue la presentación de nuestro amplificador AUD60W. Por supuesto que quedaron muchas cosas por explicar, pero la idea era presentarlo en sociedad y creo que cumplimos con creces.

En próximas entregas le explicaremos el detalle de funcionamiento de cada etapa y cómo modificarla y probarla con el Workbench multisim, cómo potenciar la salida, etc, etc.

Y para hacerlo aún más completo podríamos también continuar con un mezclador universal con control de tono y protección de sobreexcitación.

Esperemos que no tenga problemas en costruirlo, y que sea de su agrado. Creemos que su armado no le dará problemas, mucha suerte y, ¡Hasta la próxima edición!

 
De la Redacción de Saber Electrónica
FIGURA 01
 
FIGURA 02
 
FIGURA 03
 
FIGURA 04
 
FIGURA 05
 
FIGURA 06
 
FIGURA 07
 
FIGURA 08
 
FIGURA 09
 
 
 
 
 
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