Diseño amplificador de voltaje y potencia

AMPLIFICADOR DE AUDIO

Amplificador de voltaje y Amplificador de Potencia

OCTOBER 23, 2014

UNIVERSIDAD DEL CAUCA

Profesor: Ing. Rafael Rengifo Prado

Presentado por: Santiago Alberto Pérez

CONTENIDO

Introducción

Objetivos

Amplificador de voltaje

Diseño y Justificación del circuito A. voltaje

Simulación y algunas observaciones

Amplificador de Potencia

Diseño y justificación del A. potencia

Características de los elementos

INTRODUCCION

En el presente informe se pretende diseñar e implementar dos circuitos

fundamentales para el correcto funcionamiento de un amplificador de audio, estos

son, el amplificador de voltaje y el amplificador de potencia, como sus nombres lo

indican, con el primero se obtiene una ganancia de voltaje a la salida respecto del

nivel de voltaje en la entrada, y con el segundo, una ganancia de potencia en la

salida respecto del nivel de potencia en la entrada.

OBJETIVOS

OBJETIVOS ESPECIFICOS.

Desarrollar las habilidades necesarias para abordar problemas de síntesis, diseño e

implementación de sistemas analógicos.

Aplicar y poner en práctica todos los conocimientos de dispositivos electrónicos

hasta el momento adquiridos.

Estudiar detalladamente la construcción básica de un amplificador audio.

OBJETIVO GENERAL.

Visualizar y desarrollar la habilidad diseño de sistemas mediante etapas muy bien

definidas, teniendo en cuenta criterios de eficiencia y distorsión.

AMPLIFICADOR DE VOLTAJE

Para lograr esta ganancia de voltaje que se requiere en esta etapa del amplificador de

audio, se hace uso del transistor en su configuración en emisor común, en la cual la señal

de entrada se aplica a la base, y se observa la salida en el colector del transistor, un

esquema de este podría ser el que se muestra a continuación:

Donde Vin es el voltaje voltaje de salida de la etapa anterior (adaptadora de impedancia) y

la resistencia Rin es la resistencia de emisor de dicha etapa, esto lo tendremos en cuenta a

la hora de diseñar nuestro circuito amplificador de voltaje.

DISEÑO Y JUSTIFICACION DEL A. DE VOLTAJE

Análisis DC.

Bajo análisis DC el circuito a analizar es:

Por LVK

Malla B-E

𝑅2

𝑅2+𝑅1𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵−𝐸 − 𝐼𝐸𝑅𝐸 = 0 ..(1)

Malla C-E

𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶(𝑅𝐶 + 𝑅𝐸) − 𝑉𝐶−𝐸 = 0 …(2)

Análisis AC.

Para analizar el circuito en señal alterna el circuito equivalente hibrido es:

Como esta etapa está conectada a la salida de la etapa anterior, la cual corresponde a la

adaptadora de impedancia, donde su salida se obtenía en el emisor, así entonces 𝑅𝑖𝑛es la

resistencia de emisor del adaptador de impedancia:

𝑅𝑖𝑛 = 1𝑘

Por LVK:

𝑉𝑖𝑛 = 𝑖𝑏ℎ𝑖𝑒 + 𝑖𝑏(ℎ𝑓𝑒 + 1)𝑅𝐸

De donde:

𝑉𝑖𝑛

𝑖𝑏= 𝑍𝑏

𝑍𝑏 = ℎ𝑖𝑒 + (ℎ𝑓𝑒 + 1)𝑅𝐸 …(3)

También tenemos que:

𝑍𝑖𝑛 = (𝑅1 ∥ 𝑅2) ∥ 𝑍𝑏 …(4)

Además, la ganancia de voltaje estará dada por:

𝐴𝑣 =𝑉𝑜

𝑉𝑖𝑛=

ℎ𝑓𝑒𝑖𝑏𝑅𝑐

𝑖𝑏ℎ𝑖𝑒+𝑖𝑏(1+ℎ𝑓𝑒)𝑅𝐸

=(ℎ𝑓𝑒𝑅𝑐)

ℎ𝑖𝑒+(1+ℎ𝑓𝑒)𝑅𝐸

Si consideramos que generalmente el término (1 + ℎ𝑓𝑒)𝑅𝐸 es mucho mayor que ℎ𝑖𝑒, estos es

ℎ𝑖𝑒 ≪ (1 + ℎ𝑓𝑒)𝑅𝐸, se obtiene:

𝐴𝑣 =ℎ𝑓𝑒𝑅𝐶

(ℎ𝑓𝑒+1)𝑅𝐸 …(5)

Ahora, si queremos una buena señal de entrada, y que gran parte, si no toda sea

procesada por el amplificador de voltaje, deberemos de tener una impedancia de entrada

mucho mayor que 𝑅𝑖𝑛 , es decir:

𝑍𝑖𝑛 ≫ 1𝑘𝛺

Por lo que damos un valor adecuado a esta impedancia:

𝑍𝑖𝑛 = 10𝑘𝛺 …(6)

Para obtener esto, de la ecuación (4), encontraremos valores adecuados para 𝑅1y 𝑅2, de

tal forma que su paralelo me de aproximadamente 10k𝛺, y posteriormente, analizaremos

las condiciones para 𝑍𝑏 , de tal forma que esta sea mucho mayor que este valor, y así el

paralelo sea bastante cercano a los 10k𝛺 que es el valor que se quiere obtener, por lo

tanto:

Si 𝑅2 = 10𝑘𝛺

𝑅1 Podría ser:

𝑅1 = 90𝑘𝛺

Si queremos una señal de salida, sin demasiada distorsión, y siguiendo la recomendación

hecha en el pasado laboratorio, damos un valor a la ganancia, estos es, 𝐴𝑣 = 15,

observando también que dicha ganancia de la ecuación (5) es inversamente proporcional a

la resistencia de emisor 𝑅𝐸 , asignamos a esta un valor pequeño, y en función de este valor

y la ganancia se obtiene 𝑅𝐶 , por tanto de (5):

𝐴𝑣(ℎ𝑓𝑒 + 1)𝑅𝐸 = 𝑅𝐶

Si 𝑅𝐸 = 680𝛺

𝑅𝐶 ≈ 10𝑘𝛺

Si analizamos el punto de operación bajo el cual se encuentra el transistor, de la

ecuaciones (1) y (2) se obtiene:

𝐼𝐶𝑄 = 1.47𝑚𝐴

Y

𝑉𝐶𝐸𝑄 = 1.29𝑉

SIMULACION Y OBSERVACIONES

Las simulaciones del circuito diseñados y las que restan, se hicieron en el programa

computación “Multisim” de National Instruments, en la siguiente fig.

Se muestra la simulación de las formas de onda en la entrada y en la salida del circuito

anterior:

Se puede evidenciar entonces que existe una clara ganancia de voltaje en la salida

respecto del presente en la entrada, para obtener una mayor ganancia de voltaje se

conecta otra etapa igual a la ya descrita en cascada.

DISEÑO Y JUSTIFICACION A. DE POTENCIA

Para el diseño del amplificador de potencia, se escogió el clase B en cuasimetria-

complementaria, debido a que este tipo de amplificador de potencia presenta una

eficiencia elevada en comparación con otros tipos y además la potencia que disipan en

muy baja, esto debido a que los transistores se encuentra polarizados en el corte, estos es

𝐼𝐶𝑄 = 0, el esquema del circuito es el siguiente:

Nuestro diseño lo haremos en base a unos parámetros bien definidos los cuales son:

𝑃𝐿 = 5𝑊

𝑅𝐿 = 8𝛺

2𝑉𝐶𝐶 = 17𝑉

Es posible demostrar que 𝑃𝐿𝑚𝑎𝑥 esta dada por:

𝑃𝐿𝑚𝑎𝑥 =𝑉𝐶𝐶

2

2𝑅𝐿=

(𝐼𝐶𝑚2 𝑅𝐿)

2

De donde:

𝐼𝐶𝑚 = 1.11𝐴

Calculo de 𝑅𝐸1 y 𝑅𝐸2:

Para hallar valores adecuados para estas resistencias se hace 𝑅𝐸1 y 𝑅𝐸2 mucho

menores que 𝑅𝐿, estos es 𝑅𝐸1, 𝑅𝐸2 ≪ 𝑅𝐿, esto con el fin de minimizar las pérdidas de

la señal así:

𝑅𝐿 = 0.47𝛺

La potencia en dichas resistencias está dada por:

𝑃𝑅𝐸1 = 𝑃𝑅𝐸2 = 𝐼𝐶𝑚2 𝑅𝐸1 = (0.47𝛺)(1.11𝐴)2

𝑃𝑅𝐸1 = 587.5𝑚𝑊

Lo cual es una potencia de disipación muy baja.

Calculo de 𝑅3:

Su valor está dado por:

𝑅3 =𝑉𝑅3

𝐼𝑅3

Donde 𝐼𝑅3 se escoge de tal forma que se garantice la polarización de los diodos en

serie, así:

𝐼𝑅3 = 7𝑚𝐴

Debido a la polarización de los transistores en el corte, la ecuación en la malla C-E

de los transistores 𝑇2 y 𝑇4 da:

𝑉𝐶−𝐸𝑇2=𝑉𝐶−𝐸𝑇4= 2𝑉𝐶𝐶 = 17𝑉

Por lo que:

𝑉𝑅3 = 𝑉𝐶−𝐸𝑇2− 1.4𝑉

𝑉𝑅3 = 15.6𝑉

Obteniéndose:

𝑅3 = 2.28𝑘𝛺

Calculo de 𝐶3:

Este capacitor se encarga de garantizar la unión de las bases de los transistores 𝑇1

y 𝑇3, dicho capacitor es opcional, esto quiere decir que es quitarlo del circuito no

afectaría gravemente el funcionamiento de este, su valor está dado por:

𝐶3 =1

2𝜋𝑓(3𝑟𝑑)

Donde 𝑟𝑑 es la resistencia dinámica de unidad expresada como:

𝑟𝑑 =25𝑚𝑉

𝐼𝑅7−𝐼𝐵𝑇1

≈25𝑚𝑉

𝐼𝑅7= 3.57𝛺

𝐶3 = 1.48𝜇𝐹

La frecuencia 𝑓 la tomamos como10Khz, esta frecuencia está dentro del rango de

frecuencias sobre las cuales se va a trabajar.

Calculo de 𝑅𝐸:

𝑅𝐸 =𝑉𝑅8

𝐼𝑅𝐵=

𝑉𝑅8

𝐼𝑅7

Se escoge un valor para 𝑉𝑅8 de tal forma que sea 10 veces menor al voltaje de la

fuente de alimentación, por lo tanto:

𝑅𝐸 =1.7𝑉

7𝑚𝐴= 242.8𝛺

Calculo 𝑅2:

𝑅2 =𝑉𝑅2

𝐼𝑅2

𝐼𝑅2 = 𝐼𝑅1 − 𝐼𝐵𝑇5 , asumiendo que 𝐼𝐵𝑇5 es muy pequeña y tomando:

𝐼𝑅1 = 1𝑚𝐴

𝑅2 =𝑉𝑅𝐸+0.7𝑉

1𝑚𝐴= 2.4𝑘𝛺

Calculo de 𝑅1:

𝑅1 =𝑉𝑅1

𝐼𝑅1=

2𝑉𝐶𝐶−𝑉𝑅2

1𝑚𝐴=

17𝑉−1.7𝑉

1𝑚𝐴

𝑅1 = 14.6𝑘𝛺

Calculo de 𝐶1:

𝐶1 =1

2𝜋𝑓𝑅1=

1

2𝜋(20𝐾ℎ𝑧)(14.6𝑘𝛺)= 1.09𝑛𝐹

CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS.

Diodos rectificadores: Son diodos comúnmente de Silicio cuyo voltaje de umbral es

0.7 V, reciben el nombre de diodos rectificadores por emplearse en el proceso de

rectificación, sus valores nominales de potencia y corriente son por lo general mucho

más altos que los de los diodos utilizados en otras aplicaciones.

Capacitor: Un condensador es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y elec-

trónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado

por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas,

en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que

parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el

vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determi-

nada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la

variación de carga total.

Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente

eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser introducido en un

circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la

energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede

después durante el periodo de descarga.

La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de

potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la

llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide

en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que,

sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, estas adquieren una carga

eléctrica de 1 culombio.

Transistor (TIP31): Es un transistor NPN de Silicio amplificador de potencia, estos

operan con voltajes pequeños y pueden admitir corrientes relativamente intensas.

Transistor (2N2222): también identificado como PN2222, es un transistor bipolar NPN de

baja potencia de uso general. Sirve tanto para aplicaciones de amplificación como de con-

mutación. Puede amplificar pequeñas corrientes a tensiones pequeñas o medias; por lo

tanto, sólo puede tratar potencias bajas (no mayores de medio Watts). Puede trabajar a

frecuencias medianamente altas. Las hojas de especificaciones señalan como valores máxi-

mos garantizados 500 miliamperios, 50 voltios de tensión de colector, y hasta 500 milivatios

de potencia. La frecuencia de transición es de 250 a 300 MHz, lo que permite utilizarlo en

aplicaciones de radio de alta frecuencia (hasta 300 MHz). La beta (factor de amplificación,

hFe) del transistor es de por lo menos 100; valores de 150 son típicos.

Transistor (2N2905): Es un transistor PNP.

DIAGRAMA ELECTRICO TOTAL

CONCLUCIONES

Se puede concluir que en para el diseño de un amplificador de voltaje y potencia es

necesario tener en cuenta una serie de consideraciones para su correcto funcionamiento,

finalmente destacar la importancia de este tipo de circuitos eléctricos debido a su amplio

uso en una gran gama de aplicaciones entra las que se encuentran amplificadores de voz,

televisores, reproductores de CD y video