Amplificador Clase AB

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OBJETIVOS OBJETIVOS

•• Construir un amplificador de audio que satisfaga losConstruir un amplificador de audio que satisfaga los

requisitos

requisitos de THD (distorsióde THD (distorsión armónin armónica total), ca total), potencia depotencia de salida teniendo libertad para escoger los elementos con los salida teniendo libertad para escoger los elementos con los cuales trabajar.

cuales trabajar.

•• Entender las diferencias y el funcionamiento de una Entender las diferencias y el funcionamiento de una etapa deetapa de

salida clase A, clase B y clase AB. salida clase A, clase B y clase AB.

• Conocer el funcionamiento del circuito del amplificador • Conocer el funcionamiento del circuito del amplificador y de y de

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

manera alteran el circuito.

• Implementar algoritmos que permitan la medición de la THD • Implementar algoritmos que permitan la medición de la THD

(Distorsión Armónica Total) en el

(Distorsión Armónica Total) en el amplificador.amplificador.

INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN El

El amplificador amplificador es es un un dispositivo dispositivo que que aumenta aumenta la la amplitudamplitud de

de un un fenómeno. fenómeno. Existen Existen varios varios tipos tipos de de amplificadoresamplificadores:: mecánicos, hidráulicos, neumáticos, etc. Pero por lo general mecánicos, hidráulicos, neumáticos, etc. Pero por lo general los am

los amplificadores plificadores son de son de audio, audio, estos estos producen producen que laque la magnitud del sonido de la salida sea mayor a la de la entrada, magnitud del sonido de la salida sea mayor a la de la entrada, estos

estos son son muy muy usados usados y y fáciles fáciles de de encontrar encontrar en en lugareslugares públicos

públicos o o en en nuestras nuestras misma misma casa, casa, ya ya sea sea en en las las guitarrasguitarras eléctricas, en los bajos, en el

eléctricas, en los bajos, en el televiso y en la misma radio.televiso y en la misma radio. Un amplificador de potencia es un componente en la cadena Un amplificador de potencia es un componente en la cadena de procesadores de señal, cuya función es -como lo indica su de procesadores de señal, cuya función es -como lo indica su denominación- aumentar el nivel de dicha señal. En un denominación- aumentar el nivel de dicha señal. En un sistema de sonido, es el último componente activo en la sistema de sonido, es el último componente activo en la cadena, ubicado justo antes de los parlantes. Los cadena, ubicado justo antes de los parlantes. Los amplificadores diseñados para uso profesional son de una amplificadores diseñados para uso profesional son de una apariencia sencilla cuando se los compara con la mayoría de apariencia sencilla cuando se los compara con la mayoría de los amplificadores hogareños de alta

los amplificadores hogareños de alta fidelidad.fidelidad. Los amplificadores de potencia se dividen en

Los amplificadores de potencia se dividen en 5 clases:5 clases:

  Clase AClase A   Clase BClase B   Clase ABClase AB   Clase CClase C   Clase DClase D

Cada uno de estos tiene una característica diferente en cuanto 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 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 trabajara para realizar el amplificador de sonido por las característic

características que as que posee.posee. MARCO TEORICO MARCO TEORICO Clase A:

Clase A: presenta presenta una una señal señal copia copia de de la la entrada entrada peropero amplificada y sin distorsión, en el mercado son los que más amplificada y sin distorsión, en el mercado son los que más cuestan pero son los menos prácticos. Devuelven señales muy cuestan pero son los menos prácticos. Devuelven señales muy limpias pero despilfarran mucha corriente.

limpias pero despilfarran mucha corriente.

La gran desventaja de la clase A es que es poco eficiente, es La gran desventaja de la clase A es que es poco eficiente, es decir que requiere un amplificador de clase A muy grande decir que requiere un amplificador de clase A muy grande para dar 50 vati

para dar 50 vatios, y ese amplifios, y ese amplificador usa mucha corricador usa mucha corriente y seente y se pone a muy alt

pone a muy alta temperatura.a temperatura.

Figura 1: salida del amplificador clase A Figura 1: salida del amplificador clase A

Clase B:

Clase B: amplifica amplifica un solo un solo semiciclo semiciclo de la de la señal señal de entradade entrada;; consisten en un transistor de salida conectado de la salida al consisten en un transistor de salida conectado de la salida al positivo

positivo de de la la fuente fuente de de alimentación alimentación y y a a otro otro transistor transistor dede salida conectado de la salida al terminal negativo de la fuente salida conectado de la salida al terminal negativo de la fuente de alimentación. La señal fuerza a un transistor a conducir de alimentación. La señal fuerza a un transistor a conducir mientras que al otro lo corta, así en clase B, no se gasta mientras que al otro lo corta, así en clase B, no se gasta energía del terminal positivo al terminal negativo. Los de energía del terminal positivo al terminal negativo. Los de claseclase B tienen etapas de salida con corriente de polarización cero B tienen etapas de salida con corriente de polarización cero para

para evitar evitar no no linealidades. linealidades. Tienen Tienen una una importante importante ventajaventaja sobre los de clase A en eficiencia debido a que casi no usan sobre los de clase A en eficiencia debido a que casi no usan corriente con señales pequeñas. Los amplificadores de clase B corriente con señales pequeñas. Los amplificadores de clase B Nixon Cardona 2092016

Nixon Cardona 2092016 Andrés Serrano 2092021 Andrés Serrano 2092021

Erika

Erika Zárate Zárate 20920172092017 Presentado a: Jaime Barrero Presentado a: Jaime Barrero

Amplificador de

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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.

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.

Figura4: salida del amplificador clase C

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.

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 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:

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 8: Disipador

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.

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.

Programa Python

#! /usr/bin/env python

import serial #para este comando es necesaria la librería pySerial

ser = serial.Serial('COM3', 1000000); while 1: try: n=ser.read(); n=ord(n)*5000/255; #Convierto en mV print n; except KeyboardInterrupt: ser.close(); sys.exit(0) Codigo arduino // -// Fast Acquisition // By: Igor R. // 03/09/2011 // -#define CHRONO 0 void setup() { Serial.begin(1000000); //1 Mbps //Prescaler

//ADPS2 - ADPS1 - ADPS0 - Division Factor

//0 - 0 - 0 ->2 //0 - 0 - 1 ->2 //0 - 1 - 0 ->4 //0 - 1 - 1 ->8 //1 - 0 - 0 ->16 //1 - 0 - 1 ->32 //1 - 1 - 0 ->64 //1 - 1 - 1 ->128 //Configure to Prescaler=16 (11793.57 Hz a 115200) //Configure to Prescaler=16 (66418.71 Hz a 1000000) bitWrite(ADCSRA,ADPS2,1); bitWrite(ADCSRA,ADPS1,0); bitWrite(ADCSRA,ADPS0,0); //Analog Input A5 ADMUX=(1<<ADLAR)|(0<<REFS1)|(1<<REFS0)|(0<<MUX3 )|(1<<MUX2)|(0<<MUX1)|(1<<MUX0); } void loop() { #if CHRONO==1 MeasureTime(); for (;;) { } #else int i; for (;;) {

while (!(UCSR0A & (1 << UDRE0))); UDR0 = analogReadFast(); i++; if (i==-1); } #endif } //Read ADC int analogReadFast() { ADCSRA|=(1<<ADSC);

// ADSC is cleared when the conversion finishes while (bit_is_set(ADCSRA, ADSC));

return ADCH; } //Chrono function void MeasureTime() { unsigned int i=1; unsigned long tStart; unsigned long tEnd; //---//CHRONO tStart=micros(); for (;;) {

while (!(UCSR0A & (1 << UDRE0))); UDR0 = analogReadFast(); i++; if (i== 1000) break; } tEnd=micros(); // END CHRONO //---Serial.begin(115200); delay(100); Serial.println("");

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Serial.print("tStart="); Serial.println(tStart); Serial.print("tEnd="); Serial.println(tEnd); Serial.print("Puntos="); Serial.println(i); Serial.print("Frecuecy="); Serial .print((float)1000000000.0/((float)tEnd-(float)tStart)); Serial.println(" Hz"); }

En este punto ya se ejecutaron los programas de Python y de Arduino, y conectando la señal de entrada al pin 5 digital de la tarjeta se obtiene un script que contiene información de la señal muestreada a una frecuencia de 66417 Hz. Cuando ya se tiene l número de datos deseados, se deja de ejecutar los dos programas, y ya con este dato en el computador, se procede a

llevar la variable a otro entorno más amigable.

Código Matlab

xn = csvread('THD.csv'); %carga el script que se genera con python

y = FFT(xn)/length(xn); %Transformada de fourier normalizada

magnitud = abs(y); %Solo interesa la

magnitud

[A1,F1] = max(magnitud); % devuelve el

pico más alto y la posición de este. A2 = xn(2*F1); %segundo armónico A3 = xn(3*F1);

A4 = xn(4*F1); A5 = xn(5*F1);

THD1 = (sqrt(A2^2 + A3^2 + A4^2 + A5^2))/A1; %THD del amplificador.

Ya en matlab le aplicamos la transformada rápido de Fourier al script, se haya la magnitud y la frecuencia del primer armónico, y a partir de esa información, se haya lo demás.

SIMULACIÓN

Se utilizó Orcad como simulador del presente proyecto, el esquema usado es el siguiente:

Figura 10: Esquemático en Orcad

Se excitó la entrada con una señal sinusoidal de poca amplitud, esta fue la respuesta obtenida:

Figura 11:Ganancia del circuito [V/V]

Av=29.6/200E-3 = 148 [V/V] Ancho de banda

Figura 12:Ancho de banda Time 2 .0 00 0s 2 .0 00 2s 2 .0 00 4s 2 .0 00 6s 2 .0 00 8s 2 .0 01 0s 2 .0 01 2s 2 .0 01 4s 2 .0 01 6s 2 .0 01 8s 2 .0 02 0s 2 .0 02 2s 2 .0 02 4s 2 .0 02 6s 2 .0 02 8s V(R20:2) -40V 0V 40V (-29.811) (29.653) Frequency 1.0mHz 10mHz 100mHz 1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz V(R20:2) 0V 250V 500V

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De la gráfica del ancho de banda, se observa que el circuito posee uno desde algo antes de la frecuencia de 1 KHz hasta

más o menos 30 KHz.

Se simuló también el circuito con una carga de 6 Ohm y la potencia de salida fue la siguiente:

La mayor señal de entrada sin que la salida se saturara fue de 250 mV la salida fue de 36.8 Vp es decir 26.021 Vrms

Prms= _ 

  

Distorsión

Figura 13:THD orcad

Continuaremos con las tablas de regulación y eficiencia simuladas variando la carga y haciendo sus respectivas gráficas para mirar el comportamiento que tiene el circuito

Tabla 1: Eficiencia variando la carga

Figura 14: Potencia de salida Vs carga

La figura anterior me permite ver como la potencia de salida disminuye al aumentar la carga lo que es consecuente ya que son inversamente proporcionales. Cabe anotar que la potencia de salida está totalmente limitada por el voltaje de polarización del circuito

Figura 15: Eficiencia Vs carga

La eficiencia varia muy poco al variar la carga, en la gráfica el cambio parece brusco pero esto se debe a la escala pero la eficiencia trata de mantenerse.

Tabla 2: Datos de la regulación al variar la carga

Figura 16: Regulación Vs carga

Se midió el voltaje a la salida sin carga y se comparó este con el voltaje a plena carga para valores de resistencia de 6, 8,10 y

12 [Ω] como se muestra en la figura 15. De esta grafica se

puede observar que el circuito presenta gran regulación de voltaje pues al variar las cargas esta se mantuvo casi constante

Carga [Ω] 6 10 15 Eficiencia % 62 63,8 63,9 P. out [Watts] 108 68,65 46,37 0 20 40 60 80 100 120 6 10 15 Carga [Ω] Potencia Salida 61 61,5 62 62,5 63 63,5 64 64,5 6 10 15 Carga [Ω] Eficiencia Vnl 26,657 Carga[Ω] 6 8 10 12 Re gul aci on 0, 04 0, 02359 0, 017 0, 01336 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,035 0,04 0,045 6 8 10 12 Carga [Ω] Regulacion

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y con valores cercanos a cero, esto quiere decir que a diferentes cargar el circuito presentara una regulación estable. Ahora la tabla 3 se tomó del datasheet del 2sc5200 :

Tabla 3: Tabla característica sc5200

Los datos de la tabla permiten observar que la tensión máxima entre emisor y colector es de 230[V] por seguridad lo ideal es trabajar con una fuente que entregue el 60 % del voltaje máximo de los transistores también es importante tener en cuenta la corriente máxima que puede pasar por la base es de 1.5 [A] y la máxima corriente que puede pasar por el colector es de 15 [A] esta corriente es pico luego el transistor la soporta por muy poco tiempo. Por otro lado se puede ver en la tabla de la hoja de datos que la disipación de potencia es de 150 [W] y la corriente del colector no puede superar esto 150 [W].

Figura 17: Tabla comparativa

La tabla compartiva de la figura 17 permite ver el comportamiento de los diferentes tipos de amplificadores ademas de un dato importante como la distorsion y las aplicaciones en las que se puede usar los amplificadores.

DATOS EXPERIMENTALES

Los datos anteriormente simulados fueron confrontados en el laboratorio, se colocó a la entrada de audio una señal sinusoidal de amplitud 200mV y se esperó la respuesta a esta entrada, la gráfica que arrojó el osciloscopio es la siguiente:

Figura 18:THD orcad

Av = 29.0/200 mV= 145 [V/V]

La cual como se puede observar es menor que la obtenida en la simulación.

Cuando se quiso medir la potencia de salida con tres resistencias de 22 Ohm en paralelo c/u con 20 Watts de potencia los transistores de potencia de calentaron lo suficiente como para parar la prueba en ese momento, ya que cuando se realizó la misma aún no se contaba con el ventilador que sale en las imágenes anteriormente mostradas.

Seguidamente se observó en el laboratorio la transformada de Fourier para la señal de salida trabajándola a una frecuencia central de 1000 [Hz] (teóricamente), se puede ver que el armónico fundamental está a 996.7 [Hz] luego concuerda con el dato teórico además se pueden ver los siguientes 3 armónicos.

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Figura 19: Transformada de Fourier

La figura 16 muestra el primer y segundo armónico, el primer armónico está a una frecuencia de 2 [KHz] con una magnitud de 30 [dB] y el segundo armónico está a una frecuencia de 3[KHz] y tiene una magnitud de 37,6 [dB]. Se puede ver que los armónicos se repiten cada 1000[Hz] y que después del 4 armónicos lo demás son menos visibles.

Figura 20: Transformada de Fourier en primer y segundo armónico

En esta última imagen se ve la salida (amarillo) se colocó una

resistencia de 6.1 [Ω] para mirar la potencia de salida que

será:      √     

Figura 21: con carga de 6.1[Ω]

PUESTA EN FUNCIONAMIENTO

Se adquirió un parlante de 100 watts rms de salida(teóricamente, especificada por el fabricante) para hacer las pruebas de sonido, con una impedancia de 6 Ohm.

Antes de conectar el parlante se verificó el correcto funcionamiento del circuito; se verificó la caída de 24 v en el diodo zener y demás voltajes fijos que sugería el esquema del proyecto (Ver figura 4). Hecho esto se conectó el parlante e inmediatamente después la entrada de audio se insertó en un computador teniendo especial cuidado de tener al mínimo el potenciómetro, poco a poco se fue aumentando la señal de entrada y claramente se escuchó la potencia que suministraba este amplificador, de hecho causó sorpresa cuando alto legó a escucharse la señal de audio sin llegar a presentarse una distorsión aparente, debido al calentamiento de los transistores de potencia el ventilador estuvo encendido todo el tiempo manteniendo refrigerados los mismos, para encenderlo se usó un cargador de celular.

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INSERTAR FOTO CON EL ESQUEMA

COMPLETO CON PARLANTE AQUÍ,

MEDICIÓN THD

Debido a la falta de recursos de laboratorio y sitios disponibles para la prueba del código, no se pudo realizar la medición de THD, aunque la realización de este código fue investigada con bastante cuidado y seguridad de que funcionaría

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inmediatamente se pusiera en macha, en este punto se llegó a la verificación de la frecuencia de muestreo lo cual concordó con lo esperado. Además, se decidió no correr el riesgo en la conexión de la tarjeta Arduino con el circuito amplificador debido al alto consumo de corriente de este, primero se procederá a implementar un opto-acoplador para aislar la

tarjeta y evitar algún daño por exceso de voltaje o corriente.

PRESUPUESTO

Figura 22: Tabla de presupuesto

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

 El proyecto tiene como fin realizar un amplificador

clase AB que tenga una THD muy pequeña (0.01%) lo que es realmente bueno ya que experimentalmente al amplificador se le exigió un sonido fuerte y este produjo un sonido sin distorsionar la señal

 Los diferentes tipos de amplificadores juegan un papel importante en nuestra vida cotidiana ya que están presentes en los elementos que comúnmente usamos como la radio y la tv,etc. Lo que nos permite ver que los amplificadores de audio tienen un gran campo de aplicación. Así mismo se pudo analizar los tipos de amplificadores y observar las ventajas además de las desventajas que presenta cada uno y cuál sería el adecuado para la utilización

 Los amplificadores clase AB son sensibles a las alteraciones que pueda presentar el circuito, ya que con cualquier variación de los elementos, la ganancia, la potencia, el sonido y la polarización cambian aunque esto no evita que sean estables.

 El amplificador de clase AB es el que se consideró

como mejor opción al momento de realizar el proyecto por su bajo consumo de corriente, por su baja distorsión, porque combina dos características muy buenas de los amplificadores clase A (para bajas frecuencias ) y clase B (para altas frecuencias)

 Cuando se le exige al amplificador un sonido muy

elevado, el consumo de potencia aumenta y los transistores sc5200 se calientan debido a la magnitud de la corriente para bajar la temperatura se colocó un disipador y así evitar daños en el circuito.

 Los elementos que conforman el amplificador juegan un papel muy importante ya que los valores de la resistencias y de los capacitores tienen todos un propósito ya sea la polarización de los transistores, la ganancia de retroalimentación, filtros pasa panda, regulación de BIAS

 A pesar de tener el código para la medición de THD esta actividad no se pudo realizar por las siguientes razones: No se tenían garantías de que la tarjeta iba a estar protegida a altas corrientes. La señal de entrada al arduino tiene que estar elevada cierto nivel de offset para no tomar valores negativos, este problema no se tuvo en cuenta desde el inicio y por eso no tuvo una debida implementación.

 La eficiencia que presenta el circuito debe estar entre

el 50 % y 75 % que son las eficiencias del clase a y del clase b respectivamente, para los datos experimentales la eficiencia esta entre 62% y es menor al 64% están dentro del rango además se pudo observar que la eficiencia no depende de la carga. En cuanto a la regulación que debe ser menor a 1 para todas las pruebas se obtuvieron datos realmente buenos ya que son próximos a cero.

Elemento valor cantidad precios por unidad total

R 1 68 [kΩ] 2 35 70 R 2 3.3[kΩ] 3 35 105 R3 33 [kΩ] 1 35 35 R4 2.2 [kΩ] 1 35 35 R5 150 [Ω] 5 35 175 R6 1 [kΩ] 1 35 35 R7 10 [Ω] 1 35 35 R8 1000 [Ω] 1 35 35 R9 0.47[Ω] 20[W] 1 750 750 C1 1 [µF] 1 200 200 C2 4,7[µF] 1 250 250 C3 1000[pF] 2 100 200 C4 10 [pF] 2 50 100 BJT A733 2 800 1600 BJT C229 3 900 2700 BJT TIP42 2 1200 2400 BJT TIP41 1 1200 1200 BJT 2sc5200 2 5000 10000 disipador 1 5000 5000 tranformador 6[A] 1 35000 35000 puente diodos 8[A] 1 2000 2000 parlante 6 [Ω] 1 25000 25000

Jack 1 1000 1000

PCB 1 25000 25000

banco de capaci tore s 2200 [µF ] a100 [ V] 1 16000 16000 total 128925

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BIBLIOGRAFIA

Amplificador de 100 Watts mono

http://construyasuvideorockola.com/downloads/zener _100W_mono_cuasi.pdf [Consulta, viernes 28 de

Febrero/2014]

SEDRA, Adel S. Circuitos Microelectrónicos, 4 Edición