1. OBJETIVOS: 1.1.
OBJETIVO GENERAL
1.2.
Desarrollar un amplificador de audio tipo AB.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Diseñar y analizar una topología de un amplificador de audio tipo AB, basándose en los conocimientos adquiridos. Realizar las simulaciones específicas del circuito diseñado. Comprobar mediante las simulaciones realizadas los valores calculados y obtenidos previo a su respectiva construcción. Implementar un amplificador de audio básico de buena calidad.
2. MARCO TEÓRICO: 2.1.
AMPLIFICADOR DE POTENCIA
Un amplificador de potencia es aquel cuya etapa de salida se ha diseñado para que sea capaz de generar uno rangos de tensión e intensidad más amplios de forma que tenga capacidad de transferir a la carga la potencia que se requiere. Cuando se diseñan utilizando amplificadores operacionales, un amplificador de potencia consiste en una etapa de baja potencia basada en un amplificador operacional, a la que se dota de una etapa (interna o externa) de potencia, con ganancia reducida, pero con capacidad de suministrar las intensidades que se necesitan. Para seguir manteniendo los beneficios de la realimentación, la etapa de potencia debe estar incluida dentro del bucle de realimentación.
2.2.
AMPLIFICADOR DE POTENCIA AB
Se dice que este amplificador posee un comportamiento en clase A y clase B.En este amplificador, el funcionamiento del dispositivo de potencia es mayor a los 180 y menor a 360. El amplificador de simetría complementaria puede ser modificado de acuerdo al esquema indicado. Para lo cual se requiere que
= VBE =VEB, lo que asegure que
ambos transistores queden al borde de la conducción.
1
Ilustración 1 Amplificador de potencia AB
Luego un pequeño voltaje positivo hará que conduzca ale transistor NPN, de forma análoga el transistor funcionará con un pequeño voltaje negativo en la entrada. De acuerdo a esto se indican las siguientes variantes:
Ilustración 2 Amplificador circuitos complementarios Modificación del amplificador con simetría complementaria (a) Divisor de voltaje. (b) alternativo. (c) con diodos.
2.3.
AMPLIFICADOR DE AUDIO
Un amplificador es todo dispositivo que, mediante la utilización de energía, magnifica la amplitud de un fenómeno. Un amplificador de audio es un aparato al que se le conecta un dispositivo de sonido y aumenta la magnitud del volumen. 2
El amplificador de audio en un instrumento de electrónica normalmente detallada toda sus partes específicas, y su rendimiento en la entrada es comandada por un micrófono dando como resultado en la salida un altavoz de algunos vatios de potencia.
3. Explicación del Proyecto El amplificador de audio en un instrumento de electrónica normalmente detallada toda sus partes específicas, y su rendimiento en la entrada es comandada por un micrófono dando como resultado en la salida un altavoz de algunos vatios de potencia. El diseño de este esquema es muy fácil comparada con otros diseños puesto que la etapa de salida consta de 2 transistores la cual está suministrada con un potencial establecida. La etapa de pre amplificación consta de un transistor la cual controla la señal del micrófono, en esta etapa se amplifica la señal para ser preparada para su entrada en la sección de amplificación de potencia que es la etapa de salida del circuito. La señal del micrófono se amplificara a unos niveles apropiados para ser tratada en la última etapa. La impedancia de entrada del micrófono es muy baja, gracias a esto el transistor podrá captar la mayor parte de la señal del micrófono. Esta impedancia puede ser permitida entre 1 a 2kΩ.
4. Diagrama del Proyecto
MICRÓFONO
AUDIO
PRE-AMPLIFICADOR
9 Vcc
AMPLIFICADOR AB
PARLANTE
Ilustración 3 Diagrama del Proyecto 3
5. Diseño del Circuito:
Ilustración 4 Circuito Amplificador a Diseñar
5.1.
Cálculos del Circuito:
De acuerdo con el diseño de nuestro amplificador se adelanta la simulacion para los respectivos calculos:
Ilustración 5 Simulación del circuito diseñado 4
Diseño calculo de resistores: Para R4 se requiere valores bajo en lo que compete a la corriente de base del transistor Q2 para una resistencia IB2uA , donde : R4=
, donde a es un numero bajo que representa
corriente de base de Q2, por diseño del circuito se usara un resistor igual a 470K. R5 y R6 so valores de resistores por motivos de temperatura mas adelante en explicación del circuito se detallaran que son valores aproximados a 1. R2 es el resistor que sirve para compensar el efecto inductivo de la bocina Para que todo el conjunto equivalga a una impedancia ohmica de valor igual a Ra se deben cumplir dos condiciones:
De la red de Zodbel siguiente:
Ilustración 6 Red de Zodbel Se solucionan las ecuaciones que por lo general se requiere una bocina de 8 .
Realizando los cálculos específicos se tienen que :
R=bocina =8, C=C41000uF y R1=en el circuito R2=1.1k. Para R1 se la considera resistencia de tensión despreciable so lo útil para el ingreso de un amperaje bajo para el ciclo positivo de la onda al momento e operación de Q1.
Calculo de condensadores: Para ello se requieren los circuitos hibridos de los transistores ha usar. Modelo Hibrido del 2N3904 (emisor comun): Cosideremos la ro en los M
r e=
2.r e=994
Esta resitencia se encuentra entre los cientos de Ohmios. 2.r e=hie=994
r o=1/hoe= Vbe=0.707V y Vce=6.52V hre=0.108
Modelo Hibrido del TIP31C La impedancia de salida del TIP32C se encuentran en los M
Zi=1.r e
r e=
Zi=1.r e=74.28 Impedancia de entrada.
1.r e=74.28
r o=
Vbe=0.67V y Vce=3.08V hreVce=Vbe hre=0.217 Modelo Hibrido del TIP32C La impedancia de salida del TIP32C esta definida por: Vbe=6.52V Ib=6.53mA Zi=1k r e=
Zo=3.r e=3
hic= 3.r e=74.28
r o=
Vbe=6.52V Vce=6.45V Vcchre=Vbe6.52Vrms
CALCULOS PARA LOS CAPACITORES
Condición importante:
Se usará un capacitor en Base como mínimo de 10uF
Antes de realizar cálculos específicos se debe identificar las variables a calcular
Se tienen las variables: IB1=corriente de base IE1=corriente de colector VBE1=Voltaje base-emisor Ilustración 7 Transistor TIP31C
Se tienen las variables: IB3=corriente de base IC3=corriente de colector VCE3=Voltaje colector-emisor
Ilustración 8 Transistor TIP32C
Se tienen las variables: IB2=corriente de base ICE2=corriente de colector-emisor VB2=voltaje de base Ilustración 9 Transistor 2N3904
En la parte de Anexos (Anexo 1) se puede encontrar la informacion referente a los datasheet de los transistores y asi facilitar el entendimiento de los cálculos.
9
Debemos empezar a resolver analizando la corriente que ingresa a la base del primer transistor que sirve como etapa de pre amplificación:
La corriente que debe que ingresar por la base del 2N3904 debe estar dentro del rango de los uA, y aplicando divisores de voltaje podemos definir que Va = 5.2V, entonces
Ilustración 10 Corriente de Base Por lo tanto la corriente en el colector es la misma en el emisor.
Considerando la siguiente configuración de transistores en base a nuestro diseño obtenido se realizan los siguientes cálculos:
Debido a que I C2=IB2 Va-VB2=Vb-Vdiodos
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(1)
Donde Va=IE3 (1)-VCE3 5.2V-0.7V=V b-1.4V Vb=5.9V Entonces: VCE2=4.5V De (1) V a-VB2=4.5V=VCE2 IR4 (1.2K+8)=9V-V b
IR4=
Ilustración 11 Diseño esquemático para Análisis en DC Por ultimo obtenemos la corriente en la etapa de amplificación de potencia, haciendo mallas de voltajes: 9V= IR4 (1.2K+8)+IB1 (1)+VBE1+IE1 (1)+Va, dado que I E1= IB1 (1) 9V= 3.1V+IB1 (1)+0.7V+I B1 (1)+5.2V 0.07V= I B1 (1+1), Donde 1=40 IB11mA Las corrientes que pasan por el emisor del TIP31C es la misma que circula por el emisor del TIP32C donde : IE1=1* IB1 IE1=40(1mA) IE140mA
Potenciómetro: Si las resistencias del potenciómetro son variables entonces:
11
√ √
La impedancia del micrófono es pequeña, oscila entre los 1 a 2kΩ. Las corrientes que pasan por Rb es Ib = 0.05mA. Si consideramos Rb = 0, nos dará como referencia el análisis en dc.
La corriente I que ingresa por el capacitor de C1 es la corriente máxima en la base del 2N3904.
5.2.
Tabla de cálculos
TRANSISTOR TIP31C Corriente base (I B1) 1mA Coriente Emisor(I E1) 40mA Corriente bocina(I R4) 2.57mA Voltaje de base(V B1o Vb) 5.9V Voltaje de Colector-Emisor(V CE1) 3.61V
Tabla 1 Cálculos Transistor TIP31C
Corriente base (I B3) Coriente Emisor(I E3)
TRANSISTOR TIP32C 1mA 40mA 12
Voltaje en a Voltaje de base-emisor(V B3) Voltaje de Colector-Emisor(V CE3)
5.2V 4.5V 5.1V
Tabla 2 Cálculos Transistor TIP32C TRANSISTOR 2N3904 Corriente base (I B2) 1mA Coriente Emisor(I E2) 2.3mA Corriente colector(I C2) 2.3mA Voltaje de base(V B2) 0.7V Voltaje de Colector-Emisor(V CE2) 4.5V
Tabla 3 Cálculos Transistor 2N3904
5.3.
SIMULACIÓNES:
Según los análisis y el diseño calculado se obtuvo las siguientes simulaciones: 5.2.1. Simulación del amplificador:
13
Ilustración 12 Simulación completa del Amplificador 5.2.2. Simulaciones de los valores calculados Se muestra en la figura 12 los valores calculados para el diseño del amplificador en el Analisis en DC:
14
Ilustración 13 Simulación de las Mediciones A continuación se muestran de manera más específica los valores obtenidos en la simulación que concuerdan con los calculados en el diseño del amplificador. Corriente de base 2 I B2 y Voltaje de colector emisor V CE2(transistor BC548BP) como se observa en la figura es un valor de 9.75uA, debido a la polaridad del amperimetro en la simulacion. Dicho valor se calculado: 9.65uA
aproxima
al
Asi como en la parte derecha se observa el voltaje colector emisor del transistor Ilustración 15 Corriente de Base
15
Ilustración 14 Voltaje CE
TRANSISTOR TIP31C (Q1)
Ilustración 16 Valores Medidos en Q1 Se observa los valores referentes a las corrientes de base(I B1), emisor(I E1) del transistor asi como la corriente referente al resistor de la bocina(I R4). Asi como los voltajes de base (V B1)y de colector emisor(V CE1) del mismo, todos estos valores coinciden con los de la tabla 5.9V y 3.61V, respectivamente
TRANSISTOR TIP32C(Q3) Ilustración 17 Valores en Q3
Se observa los valores correspondientes al voltaje de operación en a (V a), asi como el voltaje de colector-emisor (V CE3), que son idénticos a los valores obtenidos en los cálculos.
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5.2.3. Simulación de las Señales:
Señal de entrada: Amarillo Señal de salida: Verde
Ilustración 18 Simulación de las Señales En el osciloscopio se puede observar claramente que la señal de entrada se amplifica a la señal de salida .
6.
EXPLICACION DEL CIRCUITO
Ilustración 19 Primera Etapa
17
La señal de entrada es amplificada e invertida por el transistor Q1. Después, la etapa en contrafase proporciona la ganancia de corriente que se necesita para excitar la baja impedancia del altavoz. N6tese que el excitador CE tiene su emisor conectado a masa. La resistencia R2 hace dos cosas útiles: primero, como está conectada a una tensi6n continua de + Vcc/2, esta resistencia proporciona la polarización continua para Q,; segundo, R2 produce una realimentaci6n negativa para la señal de alterna. Veamos por qué una señal positiva en la base de Q, produce una señal negativa en el colector de Q, y, por tanto, la salida del seguidor de emisor es negativa. Cuando se realimenta la base de Q, a través de R2, esta señal de retorno se opone a la señal original de entrada. Esto es la realimentación negativa, que estabiliza la polarizaci6n y la ganancia de tensión de todo el amplificador. Este tipo de amplificadores funcionan básicamente como los amplificadores en clase B, excepto en el que se inyecta una pequeña corriente de polarización para que ya estén conduciendo previamente a la llegada de la señal. No se diseñan en clase A. Se diseñan casi en corte, pero sin llegar a estar en ese estado. De esta forma se consigue eliminar la distorsión de cruce.
Ilustración 20 Funcionamiento del clase AB La principal dificultad es conseguir la estabilidad del punto de funcionamiento. Se debe garantizar que los transistores no entraran en corte. La mejor solución es recurrir al espejo de corriente. El espejo de corriente se basa en la conexión en paralelo de dos diodos iguales. Si son iguales y tienen la misma curva característica, por los dos diodos circula la misma corriente puesto que los puntos de funcionamiento son idénticos. Para una misma tensión ánodo cátodo en los dos diodos se tiene una misma corriente en cada uno de ellos. Si el diodo y el transistor son de silicio se pueden considerar iguales la tensión en extremos del diodo y la tensión entre base y emisor. En el siguiente esquema, la
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corriente que circula por el diodo es la misma que circula por la unión base emisor. Es decir:
Ilustración 21 Espejo de corriente
Para evitar problemas térmicos se coloca en serie con el emisor una resistencia de potencia de 0.47 Ohm a las cuales se les aproxima a un valor de 1 Ohm. Por dicho conocimientos explicados se puede afirmar que el diseño es un amplificador AB acoplado con diodos. El transistor Q2 esta polarizado por el C1 y el C2 que se encuentran en la etapa de pre amplificación, y se comporta como una fuente de corriente.
Ecuación 1 cálculo de corriente de base en Q1 La corriente Ic en régimen estático es constante. La corriente por los diodos D1 y D2 también lo es. La polarización de los transistores queda garantizada al estar los diodos en paralelo con las uniones base emisor. Para alterna, los diodos se comportan como una resistencia dinámica por estar polarizados en el primer cuadrante. Las bases para alterna están unidas. Para minimizar las diferencias puede conectarse entre ambas un condensador. Si se introduce una señal variable en la entrada, Q1 la amplifica. A la salida de Q1, Q2 amplifica el semiperiodo positivo y Q3 el negativo. En el altavoz, RL, se tiene la señal reconstruida Ahora la funcionalidad que cumple R2 y C4 del circuito mostrado en la figura 21 es el de compensar el efecto inductivo de la bocina a la salida de la amplificación debido a su conexión en paralelo 19
Ilustración 22 Explicación del circuito
7.
CONCLUSIONES
Se ha concluido que se ha diseñado de manera eficaz el dispositivo amplificador clase AB según los valores obtenidos teneos en cuenta que dicho diseño ha abarcado gran pate de los conocimientos adquiridos en la primera unidad de la materia Al desarrollar el amplificador AB se concluye que este tipo de amplificador es eficaz en cuanto a la distorsión de cruce se detalla debido a que es un amplificador basado en la distorsión de cruce encontrada en los amplificadores tipo B. En lo que compete al diseño de nuestro amplificador AB, se concluye que tanto la entrada del micrófono como de la señal de audio, dicho amplificador funciona con normalidad y de manera esperada, eso quiere decir que el funcionamiento especifico de este no depende exclusivamente de la señal de entrada siempre y cuando esta no posea distorsión. 20
8.
RECOMENDACIONES
9.
El amplificador clase AB no presenta distorsión de cruce con señales de entrada pequeñas, pero al someterle a señales grandes puede producirse leves distorsiones en su señal de salida.
Se recomienda al momento del diseño a lo que compete con los cálculos realizados con una aproximación y exactitud numérica alta para que asi el error que se encuentra entre los cálculos y valores medidos sean mínimos. También al momento de la construcción de la placa dispositivo se debe tomar en cuenta lo que corresponde a aspectos técnicos como la correcta construcción de las líneas de corriente en la placa asi como de la correcta ubicación de los materiales en la misma para evitar la realización de puentes en dicha placa. Al momento de realizar el circuito es importante contar con disipadores de calor en los transistores para bajar la temperatura en el instante de su operación, así evitando que se recalienten los componentes y obtener un buen funcionamiento del circuito.
ANEXOS 9.2.
Datasheet
TRANSISTOR TIP31:
10. 11.
12.
TRANSISTOR TIP32:
21
13. 14.
TRANSISTOR 2N3904:
15. 16.
22
17. BIBLIOGRAFÍA
Boylestad, L.Nashelsky. Teoría de Circuitos y Dispositivos Electronicos,10ma Edición. http://es.scribd.com/doc/41935183/Amplificador-Push-Pull-o-en-Contrafase http://www.buenastareas.com/ensayos/Amplificador-De-Audio/48352.html https://www.google.com.ec/#q=amplificador+de+potencia+clase+ab http://www.google.com.ec/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&frm=1&source=web&cd=1 2&sqi=2&ved=0CFsQFjAL&url=http%3A%2F%2Fwww.usc.edu.co%2Flaboratori os%2Ffiles%2FAmplificador%2520clase%2520AB.pdf&ei=sOM4UsiGJI7k4APi9I DYAQ&usg=AFQjCNHJQbY7ZNdNchrFIVNgkqM4Qj8P0g
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