Amplificador Clase AB

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Amplificador de audio Clase AB  Nixon Cardona 2092016 Andrés Serrano 2092021 Erika Zárate 2092017 Presentado a: Jaime Barrero

OBJETIVOS Construir un amplificador de audio que satisfaga los requisitos de THD (distorsión (distorsión armónica armónica total), potencia de salida teniendo libertad para escoger los elementos con los cuales trabajar. •

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Clase A Clase B Clase AB Clase C Clase D

• Conocer el funcionamiento del circuito del amplificador  y de

Cada uno de estos tiene una característica diferente en cuanto a la forma de la señal de salida. El clase AB es con el que se trabajara para realizar el amplificador de sonido por las características características que posee.

cada uno de los elementos que lo conforman para ver de qué manera alteran el circuito.

MARCO TEORICO

Entender las diferencias y el funcionamiento de una etapa de salida clase A, clase B y clase AB.

•

• Implementar algoritmos que permitan la medición de la THD

(Distorsión Armónica Total) en el amplificador.

Clase A:  presenta una señal copia de la entrada pero amplificada y sin distorsión, en el mercado son los que más cuestan pero son los menos prácticos. Devuelven señales muy limpias pero despilfarran mucha corriente. La gran desventaja de la clase A es que es poco eficiente, es decir que requiere un amplificador de clase A muy grande  para dar 50 vatios, vatios, y ese amplificador amplificador usa mucha corriente corriente y se  pone a muy alta alta temperatura.

INTRODUCCIÓN El amplificador es un dispositivo que aumenta la amplitud de un fenómeno. Existen varios tipos de amplificadores: amplificadores: mecánicos, hidráulicos, neumáticos, etc. Pero por lo general los amplificadores amplificadores son de audio, estos producen que la magnitud del sonido de la salida sea mayor a la de la entrada, estos son muy usados y fáciles de encontrar en lugares  públicos o en nuestras misma casa, ya sea en las guitarras eléctricas, en los bajos, en el televiso y en la misma radio. Un amplificador de potencia es un componente en la cadena de procesadores de señal, cuya función es -como lo indica su denominación- aumentar el nivel de dicha señal. En un sistema de sonido, es el último componente activo en la cadena, ubicado justo antes de los parlantes. Los amplificadores diseñados para uso profesional son de una apariencia sencilla cuando se los compara con la mayoría de los amplificadores hogareños de alta fidelidad. Los amplificadores de potencia se dividen en 5 clases:

 Figura 1: salida del amplificador clase A

Clase B: amplifica un solo semiciclo de la señal de entrada; entrada; consisten en un transistor de salida conectado de la salida al  positivo de la fuente de alimentación y a otro transistor de salida conectado de la salida al terminal negativo de la fuente de alimentación. La señal fuerza a un transistor a conducir mientras que al otro lo corta, así en clase B, no se gasta energía del terminal positivo al terminal negativo. Los de clase B tienen etapas de salida con corriente de polarización cero  para evitar no linealidades. Tienen una importante ventaja sobre los de clase A en eficiencia debido a que casi no usan corriente con señales pequeñas. Los amplificadores de clase B

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tienen una gran desventaja: una distorsión audible  con señales pequeñas. Esta distorsión puede ser tan mala que lleva a notarse con señales más grandes.

 Figura4: salida del amplificador clase C 

 Figura 2: salida del amplificador clase B

Clase AB: Este tipo, usa menos corriente que los de clase A y  pueden ser más baratos, pequeños y ligeros. Los amplificadores de clase AB son casi iguales a los de clase B, ya que al igual que estos tienen dos transistores de salida. Sin embargo, los amplificadores de clase AB difieren de los de clase B en que tienen una pequeña corriente libre fluyendo del terminal positivo al negativo incluso si no hay señal de entrada. Esta corriente libre incrementa ligeramente el consumo de corriente, pero no se incremente tanto como para  parecerse a los de clase A. Esta corriente libre incluso corrige casi todas las no linealidades asociadas con la distorsión del filtro. Estos amplificadores se llaman de clase AB en vez de A  porque con señales grandes, se comportan como los de clase B, pero con señales pequeñas, se comportan como los de clase A.

 Figura 3: salida del amplificador clase AB

Clase C: Los amplificadores de clase C son similares a los de clase B ya que en la etapa de salida tiene corriente de  polarización cero. Sin embargo, los amplificadores de clase C tienen una región de corriente libre cero que es más del 50% del suministro total de voltaje.

Clase D: Aunque estos tipos de amplificadores se usan mayormente para aplicaciones especiales como amplificadores de guitarras, de bajos y como amplificadores para subwoofers, en la actualidad se están creando amplificadores de clase D,  para todo tipo de aplicaciones. Con esta clase obtenemos amplificadores incluso más pequeños que los de clase AB y más eficientes, aunque están limitados para menos de 10kHz (menos del margen total de audio). Los amplificadores de clase D usan técnicas de modulación de  pulsos para obtener mayor eficiencia. Además, usan transistores que están o bien encendidos o bien apagados, y casi nunca entre-medias y así gastan la menor cantidad de corriente posible. También, son más eficientes que los de clase A, clase AB, o clase B. Algunos tienen una eficiencia del 80% a plena potencia, pudiendo incluso tener baja distorsión, a  pesar de no ser tan buena como los de clase AB o A. Los amplificadores clase D son buenos por su eficiencia. BJT: Los transistores pueden ser considerados como dos diferentes configuraciones de diodos. Un BJT PNP funcionará como dos diodos que tienen ambos cátodos uno frente al otro, y el NPN tendrá los dos diodos con los ánodos enfrentados. Ambos tipos de BJT funcionan dejando una pequeña entrada de corriente a la base para controlar una salida amplificada desde el colector. El resultado es que el transistor hace un  buen interruptor que está controlado por su entrada de la base. El BJT también crea un buen amplificador, ya que puede multiplicar una señal de entrada débil a 100 veces su valor original. Las cadenas de transistores se utilizan para fabricar  potentes amplificadores con muchas aplicaciones diferentes. Diodo zener: Un diodo zener es básicamente un diodo de unión, pero construido especialmente para trabajar en la zona de ruptura de la tensión de polarización inversa; por eso algunas veces se le conoce con el nombre de diodo de avalancha. Su principal aplicación es como regulador de tensión; es decir, como circuito que mantiene la tensión de salida casi constante, independientemente de las variaciones que se presenten en la línea de entrada o del consumo de corriente de las cargas conectadas en la salida del circuito. ELECCIÓN DEL ESQUEMA UTILIZADO Buscando en la web se hallaron infinidad de esquemas con los cuales construir el amplificador de audio, el primer criterio de

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selección era uno que cumpliera una potencia de salida mínima de 60 Watts, el siguiente era una THD inferior al 0.1%. Con estas restricciones en mente se redujo la cantidad de esquemas disponibles para su implementación, sin embargo aún existían suficientes modelos a disposición para montar. El siguiente criterio para escoger el diseño final fue hallar uno que pudiese ser simulado pues se tuvo el inconveniente (la  primera vez sucedió después de tener casi todo listo) de que no se encuentra fácilmente el modelo spice para Orcad ni para Proteus, las cuales eran las herramientas de simulación que en ese entonces se pensaban usar. Así que un esquema que fue escogido como definitivo tuvo que ser descartado por este detalle que termino siendo nada menor. Se halló un esquema de un amplificador implementado con BJT’s que finalmente fue el esquema a implementar por las

siguientes razones: De la página web donde se buscó, se asegura que posee una potencia de salida de 100 [Watts rms] y una THD del 0.01%, lo cual sobrepasa las especificaciones  pedidas, y se quiso así porque investigando sobre el tema se llegó a la conclusión de que en cuestiones de audio, los esquemas utilizados en teoría proveen 100watts de potencia de salida pero en la práctica se traduce a mucho menos que esto, así que por esta razón se quiso sobrepasar este parámetro en gran medida.

 Figura 4: Esquema utilizado

FUNCIONAMIENTO El propósito del amplificador de potencia es proporcionar una tensión de salida con máxima excursión simétrica sin distorsión a una baja resistencia de carga. La entrada al sistema es una señal que se amplifica a través de etapas de ganancia de tensión. En la práctica, un sistema puede consistir en varias etapas de amplificación, la última de las cuales suele ser un amplificador de potencia. La carga alimentada por este amplificador de potencia puede ser un altavoz, un excitador,

un solenoide o algún otro dispositivo analógico. La salida de las etapas de ganancia de tensión tiene la suficiente amplitud  para alimentar el amplificador de potencia de la salida. En los amplificadores de potencia los requerimientos para las etapas de salida de audiofrecuencia son significativamente distintos de los amplificadores de baja potencia. La señal de salida debe entregar una cantidad apreciable de potencia y ser capaz de manejar cargas de baja impedancia. La distorsión de señal de salida debe ser baja y se mide con factor de distorsión armónica total THD. El aumento en la eficiencia del amplificador disminuye la cantidad de potencia entregada por la fuente dc. Un requerimiento bajo en potencias de dc ayuda a mantener la temperatura interna de los transistores por debajo del valor máximo. La etapa de salida debe entregar a la carga la cantidad requerida de potencia de una manera eficiente. LOS AMPLIFICADORES DE POTENCIA CLASE AB Son aquellos amplificadores que reciben una pequeña alimentación constante, independiente de las entradas, en suma a la que será  producida en función de la señal. Es decir, se contará con una alimentación constante mínima y además, el amplificador aumentará también la potencia que entrega a los altavoces en función de las señales de entrada que reciba. Esta es la clase de amplificador más común en el área del sonido, sin embargo se pueden conseguir también de clase A, aunque ya se sabe del alto consumo de corriente de estos aparatos. La clase AB domina el mercado y rivaliza con los mejores de clase A en calidad de sonido. Usa menos corriente que los de clase A y  pueden ser más baratos, pequeños, eficientes y ligeros. Los amplificadores de clase AB son casi iguales a los de clase B en que tienen dos transistores de salida. Sin embargo, los amplificadores de clase AB difieren de los de clase B en que tienen pequeña corriente libre fluyendo del terminal positivo al negativo incluso si no hay señal de entrada. Esta corriente se incrementa ligeramente, pero no se incremente tanto como  para parecerse a los de clase A. Esta corriente libre incluso corrige casi todas las no linealidades asociadas con la distorsión del filtro. Estos amplificadores se llaman de clase AB en vez de A porque con señales grandes, se comportan como amplificador clase B, pero con señales pequeñas, se comportan como amplificador de clase A y no presentan la distorsión por cruce de cero de la clase B. La mayoría de los amplificadores disponibles en el mercado son de clase AB. Es un tipo de amplificador de potencia en que los transistores de salida reciben sólo una pequeña corriente de polarización constante, para que el transistor opere a bajos niveles de  potencia de salida, tanto en el semiciclo positivo como en el negativo. Por tanto, a bajo nivel de salida, un amplificador clase AB opera como un clase A. Mientras que, a altos niveles de salida, la señal sobrepasa el punto cero de cruce y se comienza a comportar como un clase B. Su nivel de eficiencia es inferior al 50%, es menor cuanto mayor nivel tenga la corriente de polarización. Por tanto, superior a los de clase A e inferior a los de clase D. Este diseño es un compromiso entre la eficacia de los amplificadores clase B (en los que no hay corrientes de polarización) y la eliminación de la distorsión de cruce de los diseños en clase A, por lo que los amplificadores

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de clase AB respecto a los dos anteriores pueden ser mucho más ligeros, eficientes y sin generar tanto calor en los elementos, el dispositivo se polariza en la zona lineal pero en un punto muy próximo al extremo de respuesta lineal. El circuito que tiene los amplificadores de clase AB polariza los transistores de forma que el punto de operación este en la zona lineal, y con esto se intenta eliminar la distorsión de cruce por cero que tiene el amplificador de clase B. En el diagrama eléctrico se puede observar que es un amplificador con par diferencial a la entrada. El par diferencial consiste en dos transistores PNP, en este caso A733, unidos  por sus emisores, y por ese mismo puente de unión reciben un voltaje, además toda esta primera etapa está regulada por un diodo zener y un transistor C2229 , que forman una etapa de regulación muy confiable. Eso permite que si subimos el voltaje de la fuente, siempre tendremos el mismo voltaje en el  par diferencial, haciendo este amplificador muy estable. Luego de esta primera etapa encontramos otras dos etapas de transistores antes de llegar a los transistores de potencia. Esto hace que el amplificador sea de gran rendimiento y óptimo  para manejar grandes potencias. A la salida se hallan los transistores de potencia, que se encargan de entregar ésta a la carga, esta etapa es especialmente sensible mientras el circuito está trabajando  pues debido a las altas corrientes que pasan por allí se hace necesario colocar un disipador junto a estos transistores. Lo primero al momento de hacer un amplificador como este, es saber que transistores se va a usar. Eso depende de la  potencia que se quiera y del presupuesto. En este caso se usará el transistor 2sc5200. Este transistor tiene una potencia máxima de 150W pico. Esto quiere decir que realmente  podemos obtener con este transistor una potencia real de 90W, ya que todo transistor sólo puede ser forzado a entregar un 60% o 70% de su potencia máxima, esto varía un poco dependiendo del transistor.

 Figura 5: Transformador

Se tomó a la salida 33-0-33 [V] y para la respectiva rectificación se usó un puente de diodos de 8 [A] y cuatro capacitores de 2200 [µF], la salida rectificada es la onda sinusoidal multiplicada por 1.4141 dando un igual a 46.53 [V] en continúa, como es una fuente dual se tienen +46.5 [V] y 46.5 [V]. El transformador usado es de 6 A y la tensión de salida 46.5 [V] dual así que la potencia que entrega este transformador es V*I=558[Watts], este cálculo se hace porque no se le puede pedir al amplificador de audio una potencia mayor a la que entregue el transformador, La PCB del circuito hecha con transistores BJT es la siguiente:

A continuación veremos el proceso teórico y técnico para lograr un amplificador de gran potencia.

CONSTRUCCIÓN Debido a los requerimientos del circuito hubo necesidad de construir una fuente para el mismo, pues el circuito exigía 3 amperios para funcionar y las fuentes del laboratorio solo suministran 2 ó máximo 3 amperes, se usó un transformador de 6 [A] que se tenía a disposición el cual se muestra a continuación:

 Figura 6: PCB

Para su construcción nos guiamos del esquema propuesto en la  página ya mencionada(Ver bibliografía), fuera del esquema están los transistores de potencia y las resistencias asociadas a

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ellos; con los cuales hubo la necesidad de acoplarlos a un disipador debido a las altas temperaturas que generan la disipación de calor en ellos, estos son los transistores de  potencia:

 Figura 7: Transistores de alta potencia

Junto al disipador se instaló un ventilador que eliminara el calor, los demás elementos usados fueron un potenciómetro a la salida del amplificador que se encargará de controlar la  potencia de salida, la entrada de Jack para conectar el sonido y los cables de salida que van al parlante

 Figura 9: Esquema del montaje total

En el esquema anterior se muestra un bloque del proyecto total, a excepción de la red de Zobel que no se hizo para este.

THD En el datasheet de la tarjeta de arduino, Atmel recomienda que la velocidad de reloj del ADC esté entre 50-200 KHz, para obtener una resolución de 10 bits. El oscilador de la tarjeta es de 16 MHz y pasa al ADC por medio de un divisor de frecuencia, por lo que la frecuencia de muestreo de la función AnalogRead se ve reducida considerablemente.

 Figura 8: Disipador

Aunque el registro del divisor de frecuencia puede modificarse  para tener una frecuencia de muestro más alta, tendremos la dificultad de que la resolución se va a descompensar. En el siguiente código, se usara una sola entrada analógica en el pin 5. El resultado generado tras la conversión es almacenado en los registros ADCH y ADCL. Para optimizar aún más el programa, el resultado de la conversión (ADC) será enviado mediante serie (UART), sin convertir el dato a ASCII. Un script de Python será el encargado de recoger dicho byte, convertirlo en mili voltios y

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guardarlo en un fichero, para luego ser utilizado en otros  programas.

ADMUX=(1