Construcción de amplificador de 2x150w por canal

Este post presenta la construcción completa de un amplificador de audio de 2 x 150 vatios, desde los componentes hasta la caja que los contiene. El amplificador de audio se basa en transistores Darlington y una fuente de alimentación de conmutación que proporciona un voltaje simétrico.

Vista de los transistores Darlington TIP142 / TIP147 y componentes del disipador.

Construcción caja del amplificador

Hacer un amplificador también es hacer la caja donde colocar los circuitos. La caja que puede ser de madera o acrílico (de unos 15mm de espesor)es de diseño básico y admite entradas RCA, control de volumen., botón de encendido/apagado, los terminales del altavoz y un led para indicar la energización. 

Carcasa del amplificador: aglomerado de 15 mm.

Los disipadores son recuperados de fuentes de alimentación de PC. Es necesario hacer 2 conjuntos                                                aislados porque estarán a diferentes potenciales.

Elementos del radiador del amplificador y ventilador de 12 V

Colocación de elementos amplificadores: radiadores, tarjeta de alimentación, tarjeta amplificadora 2x150W

Pasemos a los detalles de los circuitos amplificadores.

Fuente de alimentación conmutada +/- 40VDC para el amplificador.

La fuente de alimentación conmutada se basa en un circuito de medio puente. Esta implementación se hace con dos transistores y se encuentra en casi todas las fuentes de PC, pero también en fuentes de alimentación conmutadas para amplificadores profesionales.

Fuente de alimentación conmutada para amplificador de audio.

Fuente de alimentación conmutada para amplificador de audio. Módulo amplificador estéreo 2 x 150 W

El circuito impreso: Técnica del cortador y soldador.

Una tarjeta de baquelita de cobre de un solo lado desnuda se raspa con un cortador y un soldador, se trata  de hacer pequeñas islas para aislar una pista más grande:

El equipo necesario: cortador, regla y soldador.

En el circuito impreso del lado de cobre, dibujamos las separaciones entre las pistas y los sectores sin cobre.

Paso 1: Trazado 

Hacer un corte con el cortador a cada lado de la separación entre las pistas:

Paso 2: Levantar el cobre.

Este es el paso más delicado. Se debe colocar el cortador debajo del cobre para retirarlo hacia arriba mientras lo calientas con el cautín o soldador para que pueda desprenderse con facilidad.

Tira de cobre para quitar en el circuito impreso.

Tira ancha y lista para despegar del impreso.

Paso 3: Retirar el cobre

Una vez que se levante la tira del cobre que se va a quitar, se puede tomarla con unos alicates planos y despegarla lentamente como una cinta. El soldador debe calentar el área que se esta despegando:

El soldador debe colocarse en el área a despegar.

El soldador debe colocarse en el área a despegar.

Tira ancha para despegar usando los alicates.

Paso 4: Resultado de la implementación de esta técnica.

Amplificador  simple de 150 w

Aquí hay un diagrama de un amplificador simple y de alta potencia de hasta 200w con solo 4 transistores en total. La operación se explica en detalle, así como el dimensionamiento de los componentes.

A continuación las partes de este amplificador:

a. Diagrama de amplificador.

b. Operación del amplificador.

c. Nomenclatura.

Diagrama del amplificador para una alimentación +/- 40 VDC (125w eficiente / 40 Ohm)

Amplificador simple: diagrama para 125 vatios RMS a 4 ohmios.

 Es un solo canal. Para un amplificador estéreo, duplicamos el ensamblaje.

Etapa de entrada del amplificador.

La señal de audio llega a la base de T1 a través del condensador de acoplamiento C1. El filtro R1/C1, paso alto elimina las frecuencias no deseadas e inaudibles. Para un sistema de sonido donde se opta por el rendimiento. Entonces escogemos una frecuencia de corte de 30Hz: aquí, la frecuencia resulta de:  1/(2.P1.R1.C1)=34Hz.

Etapa diferencial

Un solo transistor (T1) reemplaza el "par diferencial" habitual. La retroalimentación (C3, R4, y R5) esta conectada a su transmisor. Es mas simple e igual de efectivo. Sin embargo, el voltaje Vbe de T1 induce un desplazamiento (0,7 V típico) así como el voltaje a través de R5(0,6V típico). Este voltaje vale R5xIb(T2). La corriente base de T2 es de hecho igual a la corriente del emisor de T1.

Por lo tanto, el voltaje de salida es aproximadamente 1.3 V mas alto que la base de T1. El voltaje a traves de R1 es insignificante. Por lo tanto, debemos compensar desplazando la base de T1 por -1,3V:

Ajuste del offset de salida con potenciómetro P1.

C2 proporciona una conexión dinámica a tierra. P1 debe configurarse para obtener oV en la salida en reposo (sin compensación).

Por lo tanto, los voltajes estáticos son teóricamente (para +/- 40VDC)

Valores para una operación estática del amplificador

Ganancia del amplificador.

Para el ancho de banda del amplificador, la ganancia esta definida por 1+R5/R4 y vale 30 en el montaje. Esto se puede modificar variando R4.

Diagrama de funciones del amplificador.

Amplificador de voltaje.

El conjunto T2, R8, R7, R6 y C4.R6, R7 y C4 crean una fuente de corriente mediante la implementación Bootstrap. La corriente se establece en 7 mA para el montaje realizado. C4 debe ser lo suficientemente grande como para que a las frecuencias de audio más bajas, el voltaje a través de él no varié significativamente. T2 es el amplificador de voltaje real, cuyo colector esta "cargado" por la fuente de corriente Bootstrap.

Amplificador en reposo

No existe corriente en la base a la etapa de salida. T2 es atravesado por la corriente proporcionada por la fuente.

Amplificador en funcionamiento.

Cuando la corriente fluye a la salida(voltaje de salida positivo), el NPN Darlington consume una corriente mínima. Por ejemplo, vale 3 mA:

Fuente de alimentación base T3.

T2 es atravesado por el "resto" de los 7 mA, es decir, 7-3=4 ma. En reposo, T2 se bloquea y T3 desvía todos los 7 ma.

Cuando la corriente ingresa a la salida (voltaje de salida negativo), el PNP de Darlington devuelve una corriente mínima de base. Por ejemplo, vale 3 mA:

Cuando la corriente ingresa a la salida (voltaje de salida negativo), el NPN de Darlington devuelve una corriente base. Por ejemplo, vale 3 mA.

T2 absorbe la corriente de la base de T4.

T2 esta atravesado por la suma de las corrientes (Ib (T3) + fuente de corriente). es decir, 3+7=10 mA. En reposo, R9 y los dos diodos limitaran la corriente que fluye a través de T2. T2 se convierte en una "fuente" de corriente, es decir, un limitador de corriente. El voltaje a través de R9 puede llegar alrededor de 0.6V, que corresponde a alrededor de 18 mA.

Limitación actual para T2

Polarización de la etapa de salida: "multiplicador Vbe" o "sesgo"

!Aquí no hay montajes  de transistores y potenciómetros para crear la diferencia entre las bases del Darlington¡ Solo una simple resistencia de 270 ohmios, atravesada por los 7 mA que suministra los 1,9 VDC a través de sus terminales. Este valor de 1.9VDC debe ser bien precisa, tolerancias de al menos 0.05 V o menos (1,85 a 1,95). Por la simetría de Darlington, este voltaje en dos Vbe cercanos para la parte NPN y la parte PNP. En la base  de T3, obtenemos, en reposo, 1.9 / 2 = 0.95 VDC.

Aseguramos el bloqueo de T3 y T4 poniendo solo 1,9 VDC entre sus bases, la conducción comienza alrededor de 2,3 VDC (valor a 25 grados Celsius y que disminuye en 8m por cada grado). Existe una ligera distorsión cruzada, pero no es critica. Dada la extrema simplicidad, No se puede exigir la perfección.

C5 (220 uF min.) suaviza las variaciones vinculadas a variaciones repentinas en la tensión de salida (corriente transitoria vinculada a C6 durante una caída repentina de la tensión de salida).

Calculo de R6 y R7

La corriente que fluye a través de R6 y R7 se fija a 7 mA. Aplicamos la ley de Ohm:

R6 + R7 = (Vcc(0.95))/0.007

Para +/- 40VDC, R6 + R7 = (40 - 0.95)/ 0.007 = 5.58 Kohm.

La suma encontrada R6 + R7 se divide en dos valores cercanos.

Aquí, R7 = 3 Kohm y R6 = 2,7 Kohm.

Etapa de salida del amplificador.

C6 y C7 estabilizan el amplificador en términos de margen de fase y disminuyen la velocidad de respuesta, pero esto no es un problema para las aplicaciones de audio. Debe colocarse lo mas cerca posible de los transistores de salida.

La etapa de salida consta de Darlington TIP142 (100V, 10A, 125w, Hfe =1000) y TIP147, pero también puede crear un Darlington discreto si la fuente de alimentación supera los +/- 45 VDC.

 

Darlington integrado para voltaje de hasta  +/- 45 VDC o montaje discreto para voltajes superiores a +/- 50 VDC.

No hay resistencias de emisor (típico 0.220 Ohm o 0.470 Ohm /5w). Es un amplificador de Clase B "puro y duro". De tan alta eficiencia y sin perdidas de energía en reposo.

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