Amplificadores en puente

En los tiempos actuales las costumbres para escuchar sonido en un vehículo llegan hasta un limite extremo. Si Ud. esta en la calle primero se escucha el sonido y luego se observa el vehículo. Esos amplificadores de potencia y esos bafles cuestan muchos dólares. Nosotros no pretendemos tanto; pero si queremos algo mas que los 2,3 W que puede dar nuestro amplificador elemental como limite máximo teórico (en la práctica si llegamos a 2W deberemos considerarnos conformes).

¿Y cómo funcionan esos amplificadores especiales para autos que poseen tanta potencia? El auto tiene un limite práctico con respecto a la tensión de fuente que no puede ser superado fácilmente. Son los 12V de la batería (los vehículos mas grandes como colectivos y camiones pueden tener una tensión de 24V y entonces el problema es menor).

¿Y en los autos como se supera la potencia que permite la batería? Esos equipos especiales poseen un oscilador inversor que aumenta la tensión de batería y que también permite generar tensión positiva y negativa. Por lo general trabajan a +24V o a +-24V los de mayor potencia.

Nosotros no vamos a hacer nada parecido. Se puede decir que vamos a utilizar al propio amplificador para invertir la tensión de fuente.

Para entender el funcionamiento del amplificador en puente se requiere que el alumno repase el funcionamiento del amplificador elemental ya que un amplificador en puente esta construido con dos amplificadores en push-pull exactamente iguales. Lo único que cambia es la conexión del generador de señal y del parlante. Por favor repase el capitulo 19 realice los ejercicios prácticos de reparaciones si aun no lo hizo y vuelva aquí con todo el conocimiento fresco.

Nuestro amplificador elemental tiene más de un problema práctico:

  • El primer problema es su baja potencia.
  • El segundo es el uso de un capacitor de acoplamiento al parlante que tiene considerables dimensiones y por supuesto un costo proporcional a esas dimensiones.

Nuestro amplificador tiene un punto de estabilidad de continua en su salida que es exactamente la mitad de la tensión de fuente. Si lo usamos en un auto con batería de 12V estabiliza en 6V.

Si conectamos dos amplificadores a la salida inversora y directa de un generador de funciones como en la figura 1 los dos amplificadores va a funcionar perfectamente bien como dos amplificadores separados.

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Fig.1 Dos amplificadores push pull separados pero excitados con señales inversas

Conectando un osciloscopio sobre los emisores de salida se pueden observar los oscilogramas de la figura 2.

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Fig.2 Oscilograma de las dos salidas antes del capacitor de acoplamiento a los parlantes

Nota: en todas las experiencias elegimos una señal de entrada que saturara mínimamente al amplificador para poder medir la potencia de salida.

Esta figura debe ser analizada con todo detalle. Lo primero es ¿observar donde se cruzan los oscilogramas? Como el eje de cero volt fue llevado a la parte inferior de la pantalla del osciloscopio, podemos observar que los oscilogramas se cruzan exactamente en 6V. Esto equivale a decir que si sacamos la señal de entrada ambas salidas se encontraran a la mitad de la tensión de fuente; cosa que por supuesto ya esperábamos.

Otro punto muy importante que debemos analizar es cuando estamos en el pico negativo de la señal roja. Aquí podemos observar que la salida roja está en -5V y la verde en 5V aproximadamente. La diferencia entre esta dos tensiones es:

-5- (+5) = -10V

Luego analicemos cuando la señal roja esta en el pico positivo. En este caso el calculo sería

+5V – (-5V ) = +10V

Es decir que entre las dos salidas tenemos el doble de la señal que tendríamos entre una salida y masa.

El lector debería hacer este mismo calculo para varios puntos de las señales de la figura 2 y luego unirlos para observar el resultado. La misma operación se puede realizar automáticamente conectando un osciloscopio entre las dos salidas.

Si además del osciloscopio se conecta el parlante entre las dos salidas nos encontramos que ahora el parlante tiene aplicada una tensión que varia entre -10V y +10V es decir 20V de pico a pico aproximadamente. Exactamente el doble que lo que teníamos originalmente.

El circuito se llama amplificador en puente porque el parlante forma un puente entre las dos salidas de los amplificadores. Para no cambiar las características del circuito comenzamos colocando un parlante de 16 Ohms.

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Fig.3 Circuito de amplificadores en puente con un parlante de 16 Ohms

La observación correcta del oscilograma de salida tiene algunos detalles que deben tenerse en cuenta. La solución mas sencilla parecería ser la conexión del osciloscopio sobre el parlante con la masa en el amplificador de abajo y el vivo en el amplificador de arriba. Pero esta solución no es viable porque el amplificador inferior debería mover al parlante y además al gabinete del osciloscopio con todo lo que esto significa (una gran capacidad entre el osciloscopio y la red de energía domiciliaria y en algunos casos una conexión a la jabalina de puesta a tierra si la clavija central del enchufe esta conectada al gabinete). El osciloscopio virtual no tiene este problema y nos permite observar la forma de señal sin inconvenientes.

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Fig.4 Oscilograma de la salida con la masa del osciloscopio en el amplificador inferior

Pero en un caso real no se puede conectar la masa del osciloscopio alegremente sobre la salida inferior. La solución es utilizar una característica muy interesante de los osciloscopios modernos que es la entrada diferencial y que el osciloscopio del Workbench posee.

Las entradas de señal al osciloscopio pueden seleccionarse:

  • en el modo habitual de una entrada en cada canal (A y B)
  • o en el modo suma que implica sumar la señal del canal A al la señal del canal B (A+B)
  • pero también existe la posibilidad de invertir el canal B con lo cual la representación de la pantalla sería la diferencia entre ambos canales (A – B).

Por supuesto que en el modo A+B y A-B solo existe un oscilograma en la pantalla. En la figura 5 se puede observar el modo en que debe predisponerse un osciloscopio real o e osciloscopio de un simulador para ver la señal de salida.

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Fig.5 Señal de salida puente con osciloscopio real

Observe que la predisposición del osciloscopio es diferente en las dos figuras en tanto que los oscilogramas son idénticos. En la figura 5 esta seleccionada la tecla Add (adicionar, abajo a la izquierda) y la tecla – abajo en la sección del canal B.

El problema de la excitación

Hasta ahora ¿conseguimos mas potencia? Hagamos el calculo para una amplificador teórico que saque 24V pap sobre un resistor de 16 Ohms. La tensión de pico es la mitad es decir solo 12V y la tensión eficaz será

12/1,41 = 8,51V

la potencia es el cuadrado de la tensión eficaz dividido la resistencia del parlante es decir

8,512 / 16 = 4,52W

que es prácticamente el doble de la potencia teórica original de 2,26W. Pero podemos ganar mas potencia colocando un parlante común de 8 Ohms. En este caso la potencia será de

(12/1,41)2/8 = 9W teóricos (y 7,6 W en la realidad)

En la practica obtenemos un oscilograma como el de la figura 6 en donde se puede observar que la salida de tensión máxima es de solo 8V y no de 12 porque siempre hay dos amplificadores generando una perdida de tensión de saturación del orden de 1,5V. De cualquier modo la potencia de salida será de

(8/1,41)2/8 = 4W

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Fig.6 Salida máxima con parlante de 8 Ohms

Disposición Darlington

Como vemos bajar la impedancia de parlante fue contraproducente porque la potencia es menor que con 8 Ohms debido a la falta de excitación de los transistores de salida. Esto implica un cambio en el circuito. En lugar de usar un solo transistor de salida se utilizan dos en una disposición que se llama Darligton por el científico que la estudió. En la figura 7 podemos observar un verdadero circuito de transistor Darlinton.

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Fig.7 Verdadera disposición Darlington

Observe que hay dos transistores BC558 conectados entre si, de modo que los colectores forman un solo punto de conexión formando un colector simulado. La corriente que ingresa por la base de Q1 se amplifica en su emisor y se aplica a la base de Q2 (y una parte se deriva por R2). La corriente que ingresa por la base de Q2 es amplificada por este y sale por su emisor. Si lo analiza bien el conjunto de dos transistores se comporta como si fuera un solo transistor con un beta igual producto de los beta de ambos transistores. En este caso si tomamos un beta de 300 para el BC558 podemos asegurar que el beta del circuito es de 300 x 300 = 90.000 en realidad las corrientes derivadas por R1 y R2 llevan el beta a valores menores del orden de 3.000. Por esta razón estos circuitos llevan también el nombre de superbeta.

En nuestro caso el circuito no tiene los colectores perfectamente unidos por lo que en realidad no es un verdadero Darlington pero se aproxima mucho. Lo importante es que toma muy poca corriente del driver y tiene una caída de tensión de saturación muy pequeña lo que permite obtener una tensión de salida lo mas alta posible. Piense que en le circuito puente hay dos caídas de tensión de la etapa de salida y no una como en amplificador push pull común (en el transistor superior para el semiciclo positivo y en el inferior para el negativo). En efecto cuando sale el semiciclo positivo existe una caída en el transistor superior del amplificador superior y otra caída en el transistor inferior del amplificador inferior.

Dada que existe el doble de caída de tensión es importante investigarla y minimizarla. Los transistores tiene algo llamado caída de tensión de saturación que es la mínima tensión que cae sobre ellos cuando están plenamentes excitados y otra caída debida a la resistencia de las zonas de colector y emisor. Sobre esta ultima todo lo que se puede hacer es cambiar de transistor eligiendo uno con menos resistencia interna o trabajar el amplificador a mayor tensión de fuente.

Donde podemos hacer mucho es en la excitación de la etapa de salida. Porque un transistor mal saturado reduce la tensión máxima de salida independientemente de la resistencia interna. Por esta razón se debe recurrir a transistores Darlington de buena calidad o a fabricarlos con dos transistores bipolares. Nosotros recurrimos a esta ultima solución por un problema de consecución de materiales y porque podemos elegir una conexión de colector mas beneficiosa para el circuito.

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Fig.8 Circuito de audio con Darlingtons

Los oscilogramas de salida de este circuito con 8 y 4 Ohms de parlante se puede observar en la figura 9.

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Fig.9 Oscilogramas de salida con 8 y 4 Ohms

Nuestro amplificador mejorado tendrá potencias de

(10,34/1,41)2/8 = 6,72W

para 8 ohms y

(10/1,41)2/4 = 12,57W

con lo cual nos damos por satisfechos ya que consideramos que 12W+12W dentro de un vehículo es una potencia mas que suficiente para el uso que nosotros queremos darle. Inclusive estamos seguros que la potencia será mayor porque la tensión de batería de un auto no es precisamente 12V. Cuando la batería se esta cargando desde el alternador, la tensión llega a 13V si la batería es nueva y a 13,5 si esta llegando al final de su vida util. Y ese pequeño incremento de tensión significa que la potencia será de

(11,41/1,41)2/4 = 16,36W

Para hacer cifras redondas podríamos decir que nuestro amplificador es de:

  • PARLANTE 4 Ohms 8 Ohms
  • POTENCIA 15W 8W

El inversor de entrada con control de volumen

Existen muchos modos de conseguir una señal invertida para la entrada de los dos amplificadores del puente de amplificadores pero de todos los modos el mas simple es utilizar un transistor inversor, lo cual nos permite estudiar un clásico circuito que tiene muchas utilizaciones. Además en el mismo circuito ubicamos un potenciómetro que operará como control de volumen. En la figura 10 se puede observar el circuito completo.

Es muy poco lo que se puede decir del circuito agregado que el alumno aun no conozca. Lo primero es que el inversor de entrada y los circuitos que vamos a agregar para el control de tono y la alimentación de la grabadora con radio USB necesitan una fuente de alimentación limpia separada de la salida con un regulador de 9V. Luego el circuito del inversor es el clásico de un amplificador pero que al tener el mismo valor de resistencia en emisor y colector amplifica por uno e invierte que es lo que estamos buscando.

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Fig.10 Amplificador para automóvil con inversor y control de volumen

Conclusiones

Así terminamos de diseñar nuestro amplificador de audio apto para conectar a la salida de una grabadora USB de esas que están tan de moda en la actualidad. Grabe su música preferida desde la PC y luego reprodúzcala en alta fidelidad dentro de su automóvil. Dos parlantes coaxial para auto que soporten 15W y unos buenos bafles le permitirán sentir los bajos en el estómago y si los parlantes están bien ubicados podrá escuchar unos hermosos agudos, ya que nuestro amplificador reproduce con toda fidelidad la banda de audio completa.

¿Y el circuito impreso? De eso nos encargaremos en la próxima lección. Pero no solo le vamos a dar el circuito impreso sino que según nuestra costumbre le vamos a explicar como se diseña un impreso con un programa para PC, el dibujador del Live Wire que se llama PCB Wizard que es muy simple de utilizar.

Un impreso debe ser bonito y ordenado pero no basta con eso. El diseño del impreso debe tener en cuenta cosas como la distribución de masas y de fuentes. Y algo mas importante, las entradas y las salidas debe estar separadas para evitar efectos de realimentación que puedan provocar oscilaciones. Y como si esto fuera poco un buen impreso puede tener dibujados resistores de muy bajo valor con la misma pista, ya que muchas veces son difíciles de conseguir (y caros).

¿Y como fabrico el circuito impreso? ¿Debo pintarlo a mano? No, nosotros le vamos explicar como hacerlo con una fotocopia láser, una plancha para ropa, un poco de ácido (Percloruro de hierro) y agua tibia. Y le puedo asegurar que probablemente tenga mas calidad que un circuito impreso de producción.

Nuestro curso es un curso de formación para técnicos y nos tomamos el trabajo de enseñarle todo lo que un técnico debe saber en la actualidad; no solo la teoría; le enseñamos también a construir con ejemplos y fabricar un amplificador de audio, que es uno de los trabajos que todo reparador debe realizar alguna vez en su vida.

Y nuestra plaqueta va a ser tan profesional que hasta va a tener layout de materiales para simplificar el trabajo de armado. Y por ultimo va a tener una fotografía de la plaqueta terminada entregada directamente por el PCB Wizard apenas se termina el trabajo de diseño, tan natural que los resistores tienen los colores pintados.

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