AMPLIFICADOR DE AUDIO TTL
Escuela Politécnica Nacional
Ponce
Cristian
e-mail: cristiandavidcole@hotmail.com
|
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
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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