UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN
FACULTAD DE INGENIERIA DE PRODUCCION Y SERVICIOS Escuela Profesional de Ingeniería Electrónica Electrónica Análoga II
Amplificador Clase AB de 500 Watt’s Docente:
Ing. Ronald Coaguila Gomez
Integrantes:
Villena Pampa Roni Andre Medina Villagomez, Brayan Kevin
AREQUIPA-2018
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INDICE 1.-INTRODUCCION _______________________________________________3 2.-OBJETIVOS GENERALES Y ESPECIFICOS_____________________4 3.-DEFINICION____________________________________________________4 4.-DIAGRAMA DE BLOQUES _____________________________________5 5.-DISEÑO DE LA FUENTE Y EL AMPLIFICADOR_______________5 6.- DESCRIPCION ________________________________________________11 PREAMPLIFICADOR PCB Y ESQUEMATICO AMPLIFICADOR ANALISIS MATEMATICO PCB Y ESQUEMATICO FOTOS DEL PROCEDIMEINTO 8.- COMPONENTES____________________________________________30 7.-MONTAJE_____________________________________________________33 8.-OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES _____________________36 9.-BIBLIOGRAFIA______________________________________________36
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1.
INTRODUCCIÓN
El amplificador es lo que transforma la señal de audio que proviene de nuestro dispositivo móvil o celular y es transmitida mediante cable en algo audible. En función de nuestras necesidades de volumen necesitaremos uno de mayor o menor potencia. En efecto, no es lo mismo tener audio en el local de ensayo, que en un estadio frente a 70.000 personas. Los fabricantes de amplificadores suelen tener toda la gama que nos permita cubrir las diferentes necesidades sonoras.
Amplificador electrónico puede significar tanto un tipo de circuito electrónico o etapa de este, como un equipo modular que realiza la misma función. Su función es incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada; obteniéndose la señal aumentada a la salida. Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de una fuente de alimentación externa. En este sentido, se puede considerar al amplificador como un modulador de la salida de la fuente de alimentación.
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2.
OBJETIVOS 2.1. OBJETIVOS GENERALES
Implementar en la práctica el desarrollo de un amplificador de potencia clase AB. Hacer uso del amplificador implementado para generar una salida de audio amplificada con ayuda de una bocina o parlante.
2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
3.
Realizar el diseño de circuitos análogos y cálculos de los mismos de lo aprendido en clases, y aplicarlos en nuestro proyecto. Investigar todo lo necesario para la implementación física de cada parte del proyecto. Buscaremos mejorar y sacar un mayor beneficio a los diseños con los cuales nos apoyemos. Adecuar la calidad de sonido de la transmisión a los diferentes tipos de música o voces. Describir los diversos componentes que conforman un sistema de sonido, entre ellos los amplificadores, parlantes y sistemas acústicos, los filtros y ecualizadores, los compresores y expansores.
DEFINICIÓN
Esta clase funciona igual a la clase B pero con la diferencia de que existe una pequeña corriente que circula por los 2 transistores (configuración push-pull) constantemente, reduciendo por tanto la “distorsión por cruce” producida en la clase B. Como en los amplificadores clase A hay una corriente constante polarizando el elemento amplificador, pero en esta es relativamente baja. Son los amplificadores más comercializados ya que consumen menos potencias y pueden llegar a ser más económicos, dejando a decisión del músico entre un amplificador de esta clase por su calidad y precio, o por un amplificador de clase A que son más preferidos, pero mucho más costosos por la cantidad de elementos necesarios para lograr potencia De acuerdo a lo dicho anteriormente la clase A tiene un ángulo de conducción de 360°, Clase B de 180° y la Clase C<180°. La transición 4
entre la clase A y la clase B en bastante amplia, por lo que entre ese intermedio se encuentra la clase AB. 4.
DIAGRAMA DE BLOQUES 4.1. Diagrama de bloques general
4.2. Diagrama de bloques de Preamplificador
4.3. Diagrama de bloques de Amplificador
5.
DISEÑO DE LA FUENTE Y EL AMPLIFICADOR 5.1. Diseño de la fuente 5.1.1. Introducción
Este circuito integrado (IR2153) nos proporcionara una frecuencia de oscilación, que controlara los estados de la salida de los mosfet, que actuaran como switches que permitirán los ciclos de conducción de los bobinados primarios del transformador, y es en esencia este el principio de funcionamiento de la fuente switching, permitiéndonos obtener una entrada de tensión con elevada frecuencia en el bobinado primario y por lo tanto también tendremos la misma frecuencia en el bobinado secundario, al que trataremos como una 5
fuente lineal cualquiera, que tendrá que pasar por una etapa de rectificación y filtrado, pero bajo la condición de que los componentes tengan una buena respuesta frente a cambios muy rápidos de tensión. 5.1.2. Diagrama de bloques de la fuente switching Una fuente conmutada común posee la siguiente estructura en diagrama de bloques:
5.1.3. Principio de funcionamiento
El principio de funcionamiento de una fuente SMPS se basa en la excitación del primario de un transformador mediante pulsos de onda cuadrada de ancho variable (PWM), que es controlado por un circuito integrado (SG3525). Un transformador común de núcleo de hierro, para las necesidades de potencia y frecuencia de conmutación, seria de dimensiones grandes, sin embargo, se puede reducir el tamaño de este transformador utilizando núcleos de ferrita, que permiten excitaciones a altas frecuencias (33 KHz o más). Para la fuente utilizada en este proyecto, se seleccionó el modo de operaciones “Lazo Abierto Half -Bridge” donde el transformador posee 1 primarios iguales y 2 secundarios, el primario excitado independientemente, la excitación del 6
primario del transformador se realiza mediante mosfets canal-N. 5.1.3.1.
Etapa de Switcheo Antes veremos de cómo funciona o trabaja este integrado IR2153, para asi llegar a una conclusión en esta etapa, por consiguiente veremos el IR2153:
5.1.3.2.
Circuito de Switcheo
Características
Controlador integrado de puerta medio-puente de 600V. 7
Rango de suministro de unidad de puerta de 10 a 20V Bloqueo de mínima tensión para ambos canales Lógica 3.3V compatible Separada rango de suministro de la lógica de 3.3V a 20V La lógica y la tierra de la alimentación ± 5V compensados Ciclo por ciclo lógica de desconexión por flanco Retardo de propagación igualados para ambos canales Las salidas en fase con los insumos También disponible SIN PLOM Un control de tiempo muerto inicial más estricto. Excelente inmunidad de enganche en todas las entradas y salidas. Protección ESD en todas las conexiones potenciales.
5.1.4. DESARROLLO MATEMATICO
Voltaje de entrada:
180 → 240 = 220
Parámetro de salida:
±75 3.3 => = 2×75 × 33 + 0.5 × 24 => = 500
Potencia de entrada estimada:
500 = 588.2 = 590 = = 0.85
Corriente promedio de entrada y corriente pico:
= × √ 2− 8
= 25 220 = 590 = 2.57 ≈ 3 = min 254−25 2.8× 590 = 7.21 = 2.8× = 229
Diseño del transformador:
Para el diseño del transformador usaremos un núcleo de ferrita de código EER-39 que tiene un Ac (sección transversal).
=1.492 =40 =155 =1800 o × 10 = 4 × × 155 × 10 = 4 × 1800 × 40000 × 1.49 = 36 => :18 + 18 Numero de espiras secundarias: 1+0.01 = Dónde: = 3675 150 1+0.01 = 18.18 ≈ 18 = 3615 150 1+0.01 = 3.7 ≈ 4
:
=
ú
=
í
=
Cálculos de los calibres de los alambres: 9
⇒ ⇒ ⇒ =500 =150
1=3.3
19
2=0.5
24
=3
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Datos del transformador:
Modelo en Eagle:
Modelo en Eagle.brd:
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6.
DESCRIPCIÓN
El IR2153 es de alto voltaje, MOSFET de potencia de alta velocidad y Conductores IGBT con salida del lado de alta y baja referencia independiente canales. Propietaria HVIC y trabe tecnologías CMOS inmunes permitirá la construcción monolítica construido sólidamente. 11
Entradas lógicas son compatibles con CMOS estándar o de salida LSTTL, frente a la lógica 3.3V. Los controladores de salida cuentan con una etapa buffer actual pulso alto diseñada para el conductor transversal mínima de conducción. Los retardos de propagación se emparejan para simplificar el uso en aplicaciones de alta frecuencia. El canal flotante se puede utilizar para conducir una potencia de 22 Canal N MOSFET o IGBT en la configuración del lado alto que opera hasta 500 o 600 voltios.
Fig. Conexiones típicas del IR2153.
Fig. Diagrama de bloques del IR2153.
6.1.1. Grados máximos absolutos Valores absolutos nominales máximos sostenidos indican límites más allá de los cuales se puede producir daños en el aparato. Todas tensiones parámetros son tensiones absolutas referidas a COM. 12
Las clasificaciones de resistencia y disipación de la energía térmica se miden bajo tarjeta montada y aún las condiciones del aire.
Fig. Patillaje del IR2153.
6.1.2. Etapa conmutadora En esta sección, está formada por 2 transistores de potencia y sus correspondientes disipadores, así como por una pequeña cantidad de componentes de menor tamaño.
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Aplicaciones
Conmutación de alta corriente Fuente de alimentación ininterrumpida Convertidores dc/dc para telecomunicaciones industriales y equipo de iluminación
Entonces ya sabiendo la información del datasheet del MOSFET nos da a concluir que estos transistores de potencia es convertir la señal proveniente de los capacitores electrolíticos de gran tamaño de la etapa anterior en una señal de mayor frecuencia. 6.1.3. Etapa rectificadora de la señal Para la rectificación de alta frecuencia se utiliza un sistema de media onda con filtrado capacitivo e inductivo. Este rectificador está compuesto de diferentes elementos como son: Diodos Fast Recovery, Resistencia, Capacitores.
Fig. Rectificador de salida con diodos FR107, MUR1620 Y S5KC20R.
Debido a que en la rectificación de salida se necesita menos caída de tensión y perdidas de potencia producidas por el número de diodos se optó por una rectificación de media onda. 14
Para eso, nos dirigiremos al datasheet del diodo FR107, MUR1620 y S5KC20R.
Fig. FR1620 (Fast Recovery)
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Fig. MUR1620
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Fig. S5KC20R
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En esta sección los transformadores depositan una corriente alterna, que nuevamente debe ser procesada para ser llevada a continua. Este proceso es llevado a cabo por otra línea de transistores de potencia que suelen asociarse con diodos de gran tamaño que se conocen como “doble diodo” o “diodos de potencia”.
Al salir de esta etapa, la señal es nuevamente continua y regular, al punto de estar casi completamente purificada para ser usada por el sistema. 6.1.4. Etapa de Filtro de salida En esta etapa se usan capacitores electrolíticos y resistencias, el filtrado de la corriente se hace necesario porque los diodos y transistores usados en la etapa anterior no alcanzan a tener un tiempo de recuperación apropiado para enviar una corriente continua pura sin oscilaciones. El conjunto de capacitores y resistencias de esta sección permite complementar esa tarea y lograr una salida continua perfecta para el sistema.
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6.2. Pre-Amplificador 6.2.1. Diseño de pre-amplificador La señal que ingresa a un amplificador es muy pequeña, aproximadamente 100mv, en este caso será el audio de un reproductor MP3. Para lo cual es necesario construir una etapa previa a la AMPLIFICACION en sí. Usaremos OP-AMP para esta etapa previa, ya que son sencillos de usar y su respuesta en frecuencia es suficientemente necesario para la frecuencia de audio. 6.3. Amplificador de potencia El amplificador de potencia es la parte está encargada de amplificar la señal y hacerla audible.
6.1.3. Calculo Matematico Determina la tensión de salida necesaria del puente rectificador. Este valor se expresa en voltios y está determinado
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por las especificaciones de la carga que se va a alimentar con el rectificador. 1ro. Calculo de corrientes en DC: Primera etapa:
548 110 < < 800 558 120 < < 800
Hallando corriente de emisor en el transistor 1:
− 2 × = 3,9 + 14.7 +133 +256 1 4.7 56 −2 × = [3.91+1 + 1 + 1+1 + 33 + 22+1]1 −2 × = 37.2091 − 2 = 75 − 2 × 0.6 1 = 37.209 37.209 20
1 = 1.983 Hallando voltaje de Thevenin:
ℎ +14.7 + 3.91 = 75 1 1 ℎ = 75 − 1+1 4.7 + 3.9 11+1 + 1 ℎ = 67.11 ; ℎ > 24 ; 67.11 > 24 ; Hallando el punto Q del transistor 1:
− 2 = 11+ 22 => 1 = 22 = 22+12 21 − 2 = 11+ 22+1 1 = − 2 2 1+ 22+1 1 = 681.35 Hallando voltaje colector-emisor del transistor 1:
2 − = 4.7 51 1 = 1+2 4.7 +5.9 1 = 27.87 => 2 = 5.92 = 11 + +11 + +22 1 2 = 1 + 21 + +11 + + 22+1 2 ]1 + …∗ −21 − = [1+1+ 22+1 1 = 26.01 1 = 0; = 51.31 = 0;1 = 1.38 … ∗ 21
En los transistores 2 y 3:
1 2 = 2 => 2 = 340.68 ∗ 3 = + 33 = + 55′ 3 = 3 + 5 5 ; 5 = 110 3 = 3 −5 = 3 − 5+1 5 = 25 5 => 3− 5+13 = +525 22
33 − = 5 => 5 = 2.17 25 + 53+ 1 5 = 25 => 5 = 4.34 5 3 = 3 − 5+1 = 321.13 3 = 33 = 1.25 Hallando el voltaje colector emisor en el transistor 2:
= 1 + 1 + 1 = ( − + 2) +1+11 = 71.62 + 2 + 3 = − − 2 = 77.1 ∗ = 1 + 1+ 1 = ( − + 2) +1+122 = 23 +26.01 +122 = 49.01+ 212 => +2+3 = 2;3 = 2 3 − 76.2 49.01+212 +2+ 23 − 76.2 = 2 2+ 221+3 = 2 + 76.2 −49.01 2 = 0 => = 101.06 2 = 0 => 2 = 1.44 Transistor 2 y 3 (Puntos Q):
2 = 22+ 1 = 340.68 121 2 = 3.069
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5 = + 4 => 4 = 5 − − 5 5 4 = 1 − 41+ 1 4 = 2.24 => 4 = 72.26 2 = 4 + + 5 + 5+ 5′5 2 = 5[4 + + 5 2 ] +5−44 + 5 2 +44 − = 5[4 + + 2 ] +5 24
149.33 = 5[4 + + 5 2 ] +5 5 = 127.14 5 = 0 => 5 = 14.60 5 = 0 => 5 = 149.33 Transistor 5 y 6 puntos Q:
5 5 = 5+1 = 2.17
2 + = 2 + 7+87 4 = +7 25
4 = + 77+ 1 ; = 20 => 7 = 4−7+1 = 6 − 8 8 = 6 − 8+1 => 8 = 6−8+1 2 + = 2 + 4 − +6 − + 1; = 20 2 + = 2 + + 14 + 6 −2 + 1 + 2 + 1 = 2 − 2 + + 14+ 6 + 14+ 6 = 2 − 2 ++ 2 + 1 = 2.18 => 7 = 4 − 7+1 => 7 = 1.26 => 8 = 6 − 8+1 => 8 = 1.26 Notamos que Ie7 e Ie8 son aproximados por ser complementarios.
= 7+ 77 2 75 = + 1.26 120 = 0 → 7 = 625 7 = 0 → 7 = 75 7 = 74.84 Transistores 7 y 8 puntos Q:
7 1.26 7 = 7+1 = 21 = 60
26
7 = 1.26 7 = 74.84 7 = 9 9+ 9 = 9 9 = 9− 9 9+90.33 = 75;9 ≈ ≈ 0 75 = 9+90.33 → 9 = 0 → 9 = 227.27 → 9 = 0 → 9 = 75 Mediante un análisis en AC, se obtienen los siguientes valores para las siguientes variables: Calculando ganancia en voltaje:
×′ = = + × ′ 27
= 15.520.56 50.27 +16.5346.52 = 58.82 => = 58.82 Calculando ganancia en corriente;
= × 1; = 10 = × = = × × 1 1 ≅ ×1 = 58.8256 4 ≅ 823.48
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Componentes Fuente switching:
Fusible de 4 A S/0.50 Termistor S05K175 S/3.00 Filtro EMI de 7 A S/7.00 Puente de diodos de 4 A S/2.00 Molex de dos pines S/0.50 Bobina de núcleo de ferrita EER-39 3 borneras de tres terminales
Resistencias:
3 de 330K de 1/ 4W 3 de 47K/ 1W 3 de 180K/ 1/4W 3 de 22K/ 1W 5 de 56K/ 5W 4 de 10K/ 1/4W 3 de 15K/ 1/4W
S/ 0.10 S/0.10 S/0.20 S/0.20 S/0.20 S/0.30 S/0.10
Capacitores:
220nF/ 250V 2 de 560uF/ 250V 2uF/ 250V 2.2nF/ 250V 6 de 1000uF/ 63V 4 de 100nF
S/0.50 S/1.50 S/1.00 S/2.00 S/6.00 S/4.00
Diodos:
1N4007 6 de FR107 2 de LED
S/0.50 S/6.00 S/1.00
Mosfets:
2 de IRF450
S/16.00
Driver de la fuente switching:
VIPER22A IR2153
S/8.00 S/16.00 29
S/80.00 S/3.00
Resistencias:
3 de 10/ 1/4W 3 de 39K/ 1/4W
S/0.10 S/0.20
Capacitores:
22Nf 450pF 100nF 2 de 47uF/35V 22uF/25V
S/0.50 S/1.00 S/0.50 S/2.00 S/2.50
Inductores:
1mH
S/0.50
Diodos:
Diodo Zener 15V 3 de FR107
S/1.00 S/1.50
Amplificador AB: Transistores:
2 de A1015 3 de C2229 TIP42 D718 B688 5 de 2CS5200 5 de 2SA1943
S/2.00 S/ 24.00 S/1.50 S/5.00 S/5.00 S/40.00 S/40.00
Diodos:
Diodo Zener de 24v 3 diodos 1N4004
S/5.00 S/2.00
Capacitores:
2.2uF/50V 2 de 47uF/80V 2 de 10pF 2 de 470pF
30
S/3.00 S/2.00 S/6.00 S/4.00
Disipador de Aluminio
S/10.00
Resistencias:
3 de 56K/ 1/4W 3 de 4.7K/ 1W 3 de 33K/1/4W 3 de 3.9K/1W 3 de 150K 3 de 960K 3 de 150K / 2W 3 de 33/1W 3 de 56 3 de 150 2 de 120 /1W 7 de 0.33/5W
S/0.10 S/0.10 S/0.20 S/0.10 S/0.10 S/0.10 S/0.10 S/0.10 S/0.10 S/0.10 S/0.10 S/0.30 TOTAL :380.00
31
IR2153
MUR1620
FR1620
Fusible de 4 amperios
S5KC20R
tip42
32
Bobina de núcleo de ferrita EER-39
Puente de Diodos de 4ª
CAPACITOR DE 450pf
Transistor D718
Resistencias 56K
DISIPADOR DE ALUMINIO
33
7.
MONTAJE Fuente switching:
34
35
Amplificador:
36
