lunes, 23 de marzo de 2015

Amplificador de audio TTL


AMPLIFICADOR DE AUDIO TTL


Escuela Politécnica Nacional

Ponce Cristian
Resumen-. Este documento muestra el diseño e implementación de un amplificador de audio, usando amplificadores de potencia, amplificador en emisor común y realimentación, además explica las ventajas y desventajas de usar los diferentes recursos usados,

Palabras clave: Amplificador tipo B, Realimentación negativa, Altavoces, potencia.

I.  INTRODUCCIÓN

Los amplificadores de potencia tienen gran variedad de aplicaciones entre ellas la que implementaremos más adelante, que es la amplificación de audio. Un amplificador de potencia convierte la potencia de una fuente de corriente continua, usando el control de una señal de entrada, a potencia de salida en forma de señal. Para el amplificador de audio, además del amplificador de potencia usaremos un amplificador en emisor común, realimentación negativa y filtros para frecuencias no audibles por el oído humano.

II.  DESARROLLO

A.  Clasificación amplificadores de potencia

Existen cuatro clases de amplificadores de potencia: A, AB, B y C. En clase A, el amplificador está polarizado de tal forma que la corriente por el colector fluye durante el ciclo completo de la señal de entrada. Para clase AB, la polarización del amplificador es de tal forma que la corriente de colector solamente fluye para un lapso menor a los 360o y mayor a los 180o de la onda correspondiente. Para el funcionamiento en clase B, la corriente IC fluirá solo durante 180o de la onda de entrada. Finalmente, para funcionamiento en clase C, el dispositivo conducirá durante un periodo inferior a los 180o correspondiente a la onda de entrada. La Fig. , muestra el comportamiento de los distintas clases. Los amplificadores tipo AB y B usan configuraciones transistorizadas llamadas push-pull. Cada uno de estos amplificadores posee características de eficiencia y distorsión distintos, por lo cual, sus aplicación será a distintas áreas.

B.  Amplificador de potencia tipo B.

Para nuestro diseño usaremos un amplificador tipo B. En esta operación, se usa un transistor para amplificar el ciclo positivo de la señal de entrada, mientras un segundo dispositivo se preocupa del ciclo negativo. Esta es la configuración push-pull.
La etapa de salida clase B tiene consumo estático de potencia en modo standby prácticamente cero. Utiliza dos transistores, uno NPN y otro PNP, en contrafase que conducen alternativamente en función de si la señal de entrada es positiva o negativa. De ahí, el nombre de push-pull. Otra ventaja adicional es su mejor eficiencia que puede alcanzar un valor máximo próximo al 78% muy superior al 25% de la etapa de salida clase A.

C.  Salida en contrafase de audio  

Los dos transistores amplifican semiciclos opuestos de la señal de audio. La operación en contrafase es el mejor modo de usar los dos para máxima potencia de audio con la mínima distorsión. Como ejemplo de una etapa en contrafase de salida de audio véase la figura 1. Un transformador con toma central se usa para recorrer las señales de salida 180° fuera de fase con las señales de entrada.[2]

D.  Salida de simetría complementaria   

El circuito de simetría complementaria usa transistores PNP y NPN para proporcionar señales en contrafase de salida sin necesidad de un transformador con toma central en la entrada.
Fig1: Simetría complementaria sin transformadores de entrada o salida  [1]

E.  Realimentación negativa

La realimentación negativa se usará en nuestro circuito a fin de reducir la distorsión del amplificador. Realimentación significa acoplar parte de la señal de salida devolviéndola a la entrada. Cuando la realimentación está en fase con la se­ñal de entrada, el resultado es realimentación positiva o regeneración. La realimentación posi­tiva se usa en los circuitos osciladores. Aumenta la ganancia, pero el amplificador se vuelve inestable y tiene una tendencia a oscilar. Cuando la reali­mentación está fuera de fase con la señal de entrada es realimentación negativa, realimenta­ción inversa o degeneración.
La realimentación negativa reduce la ganancia del amplificador, porque parte de la señal de entrada se cancela. Sin embargo, todas las formas de distorsión se reducen en aproximadamente la misma proporción que la pérdida de ganancia. Lo general no es difícil obtener la ganancia necesaria, pero la distorsión siempre es un problema. La re-alimentación negativa se usa comúnmente para mejorar la calidad de los amplificadores de audio y en especial para reducir la distorsión en la etapa de potencia de salida. Además, el amplificador es más estable con realimentación negativa.

F.  Altavoces

El altavoz es un altavoz dinámico, porque tiene una bobina móvil pequeña y ligera que puede moverse en uno y otro sentido. Adhe­rido a la bobina móvil está un cono de pape! rígido o tela. Conforme la bobina móvil vibra siguiendo las variaciones de corriente de una señal de audio, el cono a su vez vibra también y produce sonido. La bobina móvil tiene cerca de 20 vueltas de alambre fino devanadas sobre un cilindro hueco de cartón, que típicamente tiene 2.54 cm (1 pulgadas) de diámetro. La bobina está colocada en el entre-hierro del campo magnético fijo, y es coaxial al imán de campo. El imán de un altavoz de imán permanente  proporciona un campo fijo. Para un altavoz electromagnético, una bobina de campo por la que fluye corriente continua suministra un flujo magnético estacionario. Aunque los altavoces EM ya no se usan pueden ser usados en equipos viejos de audio.[1]



Fig 2. Altavoz electromagnético [1]

G.  Diseño del amplificador

Nuestro circuito se trata de un amplificador que tiene una etapa de salida trabajando en clase B, usando dos transistores complementarios. Esto nos permite obtener un amplificador en clase B sin transformador de salida. A esta configuración se le conoce como amplificador en contrafase simétrico complementario.

La señal de entrada de esta etapa entra simultáneamente en la base de los dos transistores complementarios. Durante el hemiciclo positivo trabaja el transistor PNP mientras el TBJ NPN no trabaja. Durante el hemiciclo negativo sucede al contrario, el transistor NPN trabaja y el PNP no.
Una de las desventajas de estos amplificadores es la distorsión por cruce, que se produce durante los 0,6-0,7V necesarios para que el transistor empiece a trabajar. En nuestro circuito hemos corregido esto colocando un diodo polarizado directamente a manera de fuente auxiliar de voltaje, de este modo evitamos esperar a que los 0,7 voltios lleguen a cada transistor y así eliminamos la distorsión por cruce.

Como etapas preamplificadoras tenemos dos amplificadores en configuración emisor común, la primera etapa es un amplificador con TBJ NPN, la segunda etapa es un TBJ PNP, ambos en configuración emisor común como ya habíamos indicado.


Nuestro circuito está dotado también de dos etapas de realimentación negativa, las cuales van desde el terminal de salida hacia la base del Q4, y la otra etapa de realimentación se realiza desde el colector del Q4 hacia el emisor de Q2. Estas realimentaciones se realizan con el propósito de dar mayor estabilidad al circuito.

Fue agregado un capacitor entre las terminales de base y colector del Q2, con el fin de filtrar las altas frecuencias que no pertenecen al rango de frecuencia audible, es decir mayores a 20Khz. De este modo nuestro circuito tiene una respuesta de frecuencia de un circuito pasa banda.

Para finalizar hemos agregado dos capacitores en paralelo a nuestra fuente de Vcc, con el fin de enviar a tierra cualquier ruido proveniente de nuestra fuente de voltaje (como por ejemplo el rizado de una fuente).

III .CONCLUSIONES:

Se logró aplicar los conocimientos adquiridos para la implementación de un amplificador de audio, usando amplificador en emisor común, realimentación negativa, amplificadores de voltaje y filtros.

Se necesitan resistencias de potencia debido a la alta corriente que se genera a la salida del circuito, ya que las comunes no pueden disipar la potencia que se genera, razón por la cual se usaron disipadores en los transistores.

Los amplificadores de audio son un ejemplo claro de la aplicación de los amplificadores de potencia, además de utilizar otros recursos, como son circuitos para filtrar frecuencias y disminuir ruidos en la señal de salida.

IV.  REFERENCIAS

[1] Bernard Grob; “Circuitos electrónicos y sus aplicaciones”, Impreso en México. Año: 1983, Páginas: 94-95

[2] “Amplificadores de potencia” Disponible en: http://146.83.206.1/~jhuircan/PDF_CTOI/amppot10.pdf


V.  APÉNDICES


[4] Circuito diseñado en paquete computacional Proteus 8.1.





VI.  BIOGRAFÍA


Cristian Ponce nació el 20 de febrero de 1994, en Quito. Inició sus estudios en la Escuela Municipal “Oswaldo Lombeyda”. Culminados sus estudios primarios, ingresó en el Colegio Nacional “Santiago de Guayaquil”, en donde se graduó en la especialidad de Físico- Matemático. En el transcurso del bachillerato, tomó clases de guitarra. Después de terminar el colegio ingresó a la Escuela Politécnica Nacional, en donde realiza actualmente sus estudios, en la carrera de Ingeniería en Electrónica y Control, Sus interese son la robótica, la música y el arte escénico.


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