UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
TEMA: PROYECTO AMPLIFICADOR DE POTENCIA
ELECTRÓNICA II
DOCENTE: Ing. JOSE HUGO CASTELLANOS
PRESENTADO POR: WILSON LANCHEROS
Código: 20131005087
DAVID FELIPE TORRES
Código: 20131005092
DAVID TUNAROSA
Código: 20131005046
BOGOTÁ D.C. 17 DE NOVIEMBRE DE 2015
INTRODUCCIÓN Con lo visto en el curso se diseña un amplificador de potencia orientado a la aplicación de audio, así mismo con lo visto en todo el curso y con las distintas clases de amplificadores de potencia, se diseñará el amplificador clase AB, con sus respectivas etapas.
MARCO TEÓRICO Amplificador de potencia (audio): La función del amplificador es aumentar el nivel de una señal, incrementando para ello la amplitud de la señal de entrada mediante corrientes de polarización (voltaje negativo, voltaje positivo) en el transistor de salida.
Sonido: El oído humano es sensible únicamente a aquellas ondas sonoras cuya frecuencia está comprendida entre los 20 Hz y los 20 KHz, lo que se denomina espectro audible. Los sonidos inferiores a 20 Hz se llaman infrasonidos y a los que están por encima de 20 KHz se les llama ultrasonidos. Este espectro varía según cada persona y se altera con la edad. Los sonidos graves van desde 20 a 300 Hz, los medios de 300 a 2 KHz y los agudos de 2 hasta 20 KHz.
Estructura de una etapa amplificadora La etapa de potencia es la encargada de suministrar la potencia a los altavoces al ritmo de la señal de entrada. Los altavoces son los que transforman la potencia eléctrica en potencia acústica. La estructura global de una etapa de potencia es la siguiente (Por amplificador o etapa de potencia se entiende todo el conjunto exceptuando el altavoz de la derecha):
Control de entrada: es el punto a donde llega la señal de entrada. Esta sección define la impedancia de entrada del aparato y es donde se selecciona el nivel de amplificación deseado. Aumenta un poco la tensión de la señal de entrada antes
de pasarla al driver. Los mandos que controlan la potencia de salida trabajan sobre esta etapa.
Driver: es la encargada de excitar la etapa de potencia. Para ello amplifica mucho la señal que recibe del control de entrada para elevar mucho su voltaje antes de pasarla a la etapa de amplificación.
Etapa de potencia o de salida: Es la encargada de dar la potencia necesaria a la señal. La señal que recibe tiene mucho voltaje, pero muy poca intensidad. Esta etapa es la que proporciona varios amperios de intensidad de corriente eléctrica a la señal, sin embargo, apenas aumenta el voltaje que traía desde el driver. Maneja tensiones y corrientes muy elevadas y es la que más recursos energéticos demanda de la fuente de alimentación, es decir la que más consume. Esta es la etapa que se conecta al altavoz, donde se consume la energía eléctrica, transformándose en movimiento que genera ondas acústicas y calor
Fuente de alimentación: es un dispositivo que adapta la electricidad de la red eléctrica general, para que pueda ser usada por las distintas etapas. Estas fuentes de alimentación suelen ser simétricas. Tiene que ser suficientemente grande para poder abastecer a la etapa de salida de toda la energía que necesita en el caso de estar empleándose el aparato a plena potencia. Un punto débil de las etapas de potencia suele ser la fuente de alimentación, que no puede abastecer correctamente a la etapa de salida. Por ejemplo: una etapa de potencia estéreo tiene que duplicar las tres etapas (entrada, driver y salida) y puede usar una fuente de alimentación para todos. Los equipos de calidad estéreo incorporan dos fuentes de alimentación, una por canal.
Protecciones: las etapas de potencia actuales incorporan diversas medidas de protección contra avería, que son más o menos sofisticados en función de la calidad y coste del equipo. Pueden ir desde el típico fusible a dispositivos activos de control de potencia. Las protecciones que se pueden encontrar normalmente son: - Protección electrónica frente a cortocircuito y circuito abierto. - Protección térmica para transistores de salida y transformador. - Protección contra tensión continúa. - Protección contra sobrecarga. - Protección contra transitorio de encendido.
Clase AB Los amplificadores de clase AB reciben una pequeña polarización constante en su entrada, independiente de la existencia de señal. Es la clase más común en audio,
al tener alto rendimiento y calidad. Estos amplificadores reciben su nombre porque con señales grandes se comportan como una clase B, pero con señales pequeñas no presentan la distorsión de cruce por cero de la clase B. Tienen dos transistores de salida, como los de clase B, pero a diferencia de estos, tienen una grande corriente de polarización fluyendo entre los termin ales de base y la fuente de alimentación, que sin embargo no es tan elevada como en los de clase A. Esta corriente libre se limita al máximo valor necesario para corregir la falta de linealidad asociada con la distorsión de cruce, con apenas el nivel justo para situar a los transistores al borde de la conducción. Este recurso obliga a ubicar el punto Q en el límite entre la zona de corte y de conducción.
Disipador Es un instrumento que se utiliza para bajar la temperatura de algunos componentes electrónicos. Su funcionamiento se basa en la ley cero de la termodinámica, transfiriendo el calor de la parte caliente que se desea disipar al aire. Este proceso se propicia aumentando la superficie de contacto con el aire permitiendo una eliminación más rápida del calor excedente.
Calculo: Al igual que en los circuitos eléctricos, se puede definir una Ley de Ohm en los circuitos de flujo de calor. Pero antes identifiquemos los elementos térmicos equivalentes a sus análogos eléctricos. Así, el papel de la fuente de tensión eléctrica (por ejemplo una batería) lo cumple el componente que genera el calor que se desea evacuar. El papel de masa de un circuito eléctrico lo tiene el aire, que supondremos a una temperatura de unos 25ºC. La diferencia de tensión eléctrica encuentra su homólogo en la diferencia de temperatura. La potencia generada en forma de calor en el componente tiene su equivalente en la corriente eléctrica entregada por la fuente de tensión. Por último, la resistencia eléctrica tiene su reflejo en la resistencia térmica medida en ºC/W (grados centígrados por vatio). Con estos elementos podemos ya formular la Ley de Ohm térmica:
Donde: Tj= Temperatura máxima de la unión del elemento semiconductor. Ta=temperatura del ambiente. P= potencia consumida por el componente. Rth t = resistencia térmica total entre el elemento y el ambiente.
Llegados a la conclusión de que el disipador es necesario tendremos que realizar un cálculo que nos oriente sobre el disipador que debemos usar. Este montaje tiene el siguiente circuito térmico, o de flujo de calor, asociado:
Por la analogía con los circuitos eléctricos se puede ver que:
− + − + − Con lo que la Ley de Ohm térmica podrá expresarse así:
− + − + − Lo que se pretende hallar es Rth d-amb, debiendo de ser conocidos el resto de parámetros (por el data sheet del componente y por un cálculo de la potencia que deba disipar dicho componente). Así, despejando de la Ley de Ohm térmica el valor de Rth d-amb tendremos que:
− ( − + − )
Por regla general, Rth c-d se puede tomar entre 0.5 y 1ºC/W siempre y cuando la unión que se haga entre el componente y el disipador sea directa (sin mica aislante) y con silicona termo-conductora. Si esta unión se efectúa con mica y sin silicona estaremos hablando de resistencias térmicas de contacto entre 1 y 2ºC/W. Si necesitamos usar mica para aislar también podemos aplicar silicona termo-conductora, en cuyo caso la resistencia estaría comprendida entre 1 y 1.5ºC/W.
COMPONENTES UTILIZADOS: Los componentes usados para el desarrollo de la práctica fueron:
Transistor 2N2222A (Metálico baja potencia)
Diodos de alta velocidad 1N4148
Transistor 2N2905
Resistencias comerciales
Transistores IGBT GT20D101 (Similar)
Transistor TI31 / 32 o similar
Condensadores de 0.1uF, 10 uF, 530uF, 1000 uF, electrolíticos para el respectivo acople y desacople.
Carga de 8 ohm a 20W (Parlante)
Disipadores para TO220
DISEÑO Se procede a diseñar un amplificador de potencia (aplicación audio) en contrafase y funcionando en clase AB (por espejo de corriente y simetría complementaria) y una pequeña etapa amplificador compuesta por un transistor. Potencia escogida: Se escoge 30 watts como potencia máxima (en la práctica esta potencia es menor, pero se procura un incremento para tener asegurado la potencia requerida de 20 watts) Frecuencia Inferior de corte: Se elige 20 Hz como frecuencia mínima. El diseño se da de derecha a izquierda. Suponiendo una potencia de 30W sobre un parlante de 8
Pasos 1. Cálculo de la fuente de alimentación: Como
P VL IL por
ser carga resistiva, además IL
VL RL
Resulta que PL
VL 2 RL
VL representa valor eficaz. Al estar el amplificador con alimentación simétrica, la Vmáx en la carga es Vcc. Entonces:
L
Vcc 2 De donde se tiene que PL y despejando Vcc se 2RL 2
V max Vcc
2
llega a cc
2 PL RL , sustituyendo se tiene que:
Vcc
2 30 8 23v
La fuente de alimentación a usar es de (+/- 23v). La corriente máxima que suministra cada fuente es: Ic
Vcc 22 2.75A RL 8
2. Transistores de potencia: Los transistores Q5 y Q6
tienen las siguientes características (Ver
datasheet) Vds 23V , Id 2.75A
Son transistores de potencia. **Al solo poseer un IGBT para el diseño GP30NC60K (30A-600v), para la etapa amplificadora se usa en el diseño, como la clase AB se escogió para este diseño se hace uso TIP 31 en reemplazo del IGBT canal P. 3. R9 y R11 Las resistencias se escogen pequeñas como medida de protección el valor escogido para el diseño fue de 0.47 . Al estar en el área de potencia, se es necesario calcular la potencia disipada: PR 9 R I
2
2
0.47 (2.75) 3.55w
Entonces R9 y R11 son resistencias de 0.47 y con capacidad de disipación superior a 3.55w. 4. R8 Se requiere conocer la corriente y la diferencia de potencial en los extremos. Despreciando la caída de tensión en la resistencia de 0.47 , la tensión en la base de Q6 es 1.4v Se toma para R4 una corriente ligeramente superior para garantizar la conducción de los diodos y el transistor Q2. En este caso se toma 5mA R 8
5. Calculo de C4
Vcc
2Vbe
I
23v 1.4v 4120 5mA
Este condensador está garantizando la unión de los transistores en la transmisión de la señal alterna. El cálculo se hace aproximado, ya que no es crítico su cálculo exacto. Donde rd C4
1 2 fl (3 rd )
25mv I
25mV 5 . Entonces: 5mA
1 2 20hz (3 5 )
530uF
6. Diodos D1, D2 y D3 Para este caso como la corriente que circula es “pequeña” 5mA. Se usa cualquier referencia de Diodos de velocidad rápida 1N4148 7. Transistores Q1, Q2 Como la corriente es muy pequeña se puede usar transistores de tensión y corriente reducida, transistor escogido NPN 2N2222 (con 100 ) 8. R5, R6 y R7 R5: Se calcula para una corriente superior a la de la base de Q2 Ib 2
Ic 2 5mA 2 100
0.05mA
Se toma una corriente de 1mA (para despreciar la de la base) R5
Vcc Ic
2.2v 0.7v 2.9k 1mA
R6: La corriente es de 1mA, por ende la diferencia de potencial en los extremos es: V=23-(-19.1)=42.1V
R 6
41.1v 41100 1mA
R7 : Se calcula para un correcto funcionamiento de este transistor Q2, para la variación de cualquier señal de entrada, en donde se escoge una caída de Vcc/10, es decir 2.2v R 7
Vcc Ic
2.2v 440 5mA
9. R3 y R4 Se toma una corriente de colector de 10mA, un punto de funcionamiento para la clase A y una tensión de 1.2v, con estos datos se proceden a calcular las resistencias
R 3
Ve Ic
1.2v 10mA
220
Usando Realimentación en serie para obtener mejores resultados y al tener unja señal de entrada muy pequeña se escoge una ganancia de 44, 44
R l'
Rl'=Rc=880
Re
Entonces re
880 20 44
Ahora en el Colector de Q1 se tiene la siguiente tensión: Vc Ve Vce Ve
Vcc 23 1.2 13.2v 2 2
Por ende tenemos la R4 R 3
Vcc Vc Ic
22v 13.2v 880 10mA
La ganancia de la etapa considerando el diseño es de 44 aproximadamente Donde la impedancia está dada por: Ze 2 R 5|| R 6|| (rd 2 R 7) 2553
10. Cálculo de R1 y R2 La corriente de base de Q1 es ib1=ic/100= 0.1mA, al tomar una corriente por R2 diez veces superior para aproximar I0=1mA. Donde la tensión de Base de Q1 es: Vb1 Ve1 Vbe1 2.2 0.7 1.9v
R 1
2.9 Vcc Vb1 22v 2.9v 2900 Y R 2 19100 1mA Io 1mA
11. Impedancia de entrada Usando lo visto en el curso de electrónica I se tiene que Z In R 1|| R 2|| (rd 1 R 3) 1092
12. Cálculo de C1, C3 y c9 Este se realiza a partir de la impedancia de entrada y de la frecuencia que se estableció inferior de corte
C1: C 1
C3: C 3
1 2 fl Ze
1 2 fl (R 4 Ze 2)
1 8uF 2 20hz (1092)
1 2 20hz (880 2553)
10uF
2.3uF 10uF
C9: Como es de desacople se escoge un valor muy grande para este caso 100uF, en este caso solo se toma el criterio de realimentación 13. Cálculo de última etapa
∥ 4 + 1 0.1ℎ 4 104 =104 ∥ 4 + 1 ∗ 101 4 9.094 = 10111
R15 tiene el mismo valor de la impedancia
1.1Ω Que es la impedancia de entrada de la otra etapa 10 4 + + 4 55Ω; 550Ω 3 ;3 12.75Ω 3 1.2Ω 1 3 14. Cálculo de disipadores Para el caso del TIP 31 a 30W y con temperatura ambiente de 25ºC. Entonces: T J
150
C máx , por ende se toma,
J
100 C
(por seguridad), Ahora
tenemos T j T C RTHJ C = PD
150 C 75 C 2.5 C /W 30W
Donde se toma:
RTHC D 1 C /W .
Ahora en la fórmula para saber si
tenemos que usar disipador reemplazamos. RTH d amb RTH d amb
T j T a p
R
TH J C
R TH C d
100 c 25 c 2.5 c / W 1 c / W 30w
1 c / W
Ahora para el IGBT se tiene lo siguiente haciendo igual en relación al BJT T J
150 C
máx
J
150 C
máx ,
por ende se toma,
J
100 C
seguridad), Ahora tenemos: R thj-case RTH d amb
0.675
c /W Y R thj-amb
62.5
100 c 25 c 0.675 c / W 1 c / W 30w
c /W
0.825 c / W
Lo que nos dice que toca poner un disipador a este componente
Figura 1 Amplificador de Audio
(por
SIMULACIÓN DEL AMPLIFICADOR RESPUESTA TEMPORAL
Figura 2 Amplificador de potencia diseño
Resultados obtenidos para una señal de entrada de 100mVp
Figura 3 Señal en extremos del altavoz
Sin embargo no se puede alcanzar la potencia deseada, como se ve se diseñó para una potencia de 30 w conociendo que está disminuiría, menos de 25 watts, sin embargo las limitaciones impuestas por R7 y R8 afectan el transistor Q2 y debido
a que no se tuvo en cuenta las pérdidas en las resistencias de 0.74 . Una posible solución en el caso que se desee alcanzar la potencia de diseño es aumentando el valor de las fuentes de alimentación y comprobar los resultados mediante pruebas o simulaciones, para alcanzar la potencia realizando ajustes y para llegar a 30w se deben colocar fuentes de alimentación de 35v. Para reducir las pérdidas y hacer que la máxima tensión este en el altavoz se recomienda ajustar en la práctica la resistencia R7, o sustituir por un potenciómetro.
Figura 4 Señal en extremos del altavoz reajustado amplificador
SIMULACIÓN POTENCIA ALTAVOZ
Figura 5 Corriente RMS en el altavoz
Figura 6 Voltaje RMS en el altavoz
Como se puede ver en RL la corriente es de 7.5A y el voltaje es de 3.4V (**Aclarando que los valores son eficaces) PL VRMS I RMS 7.5A 3.4V
25.5watts
Las variaciones de las corrientes de polarización no afectan el circuito. El circuito se ha ajustado al valor de potencia requerido 20 watts, minimizando las pérdidas generadas en los componentes. El único cambio es aumentar la fuente de alimentación que debe ser simétrica si se maneja a dos fuentes.
SIMULACIÓN DEL AMPLIFICADOR RESPUESTA TEMPORAL La respuesta en frecuencia del amplificador (Diagrama de Bode) es: Como se puede observar abarca el espectro audible para el cual fue diseñado
Figura 7 Respuesta en frecuencia del amplificador
Figura 8 Frecuencia inferior de corte
Se puede ver que la frecuencia inferior de corte está por debajo de los 20Hz, lo cual es bueno para un amplificador de audio.
Figura 9 Diagrama de Fase
Se puede ver que la frecuencia superior de corte está por encima de 1MHz, lo cual es bueno para un amplificador de audio y el FT mayor a 10MHz.
ANÁLISIS ESPECTRAL
Tabla 1 Análisis espectral con respecto a la salida
Figura 10 Análisis espectral
ANALISIS En el diseño de este amplificador se pensó en uno de los factores más importantes como el intentar abarcar el espectro audible (20Hz – 20kHz), así mismo, los requisitos que debe cumplir es poder dar una potencia mayor o igual a 20W, es importante a la hora de realizar un diseño, calcular un incremento de esta potencia, como bien se sabe, la potencia se disminuye por efectos de pérdidas en materiales, sin embargo al conocer esto se usó la potencia de 30w, en el diseño, el cálculo de las etapas previas a la de potencia, se calcularon con valores que puedan abarcar señales grandes para evitar la distorsión de esta, por otra parte es importante aclarar que las fuentes son importantes de tener en cuenta para la potencia estimada como se conoce disminuye por distintos factores, la realimentación se usó para evitar distorsión al momento de recibir la señal, se pensó también en los condensadores ya que estos juegan un papel muy importante para fijar la frecuencia inferior de corte, que se fijó como 20Hz, por otra parte la simulación dio viabilidad para el diseño propuesto, este modelo se puede implementar con BJT, JFET, IGBT y MOSFET’S (etapa de potencia)
depende la referencia del voltaje a manejar, y de la corriente que vaya a manejar. Es importante el uso de disipadores para la etapa de potencia, no es obligatorio pero se recomienda. Finalmente como se puede observar se tiene un análisis espectral de casi 1 voltio en la fundamental, mientras que los otros armónicos son muy bajos. Presenta una buena definición de la señal de entrada amplificada.
CONCLUSIONES
Para el diseño de amplificador de potencia es importante tener en cuenta los diversos requisitos, las etapas en donde se amplifica la señal de entrada. Así mismo, se evidencio por perdidas en los elementos la disminución de potencia, el diseño se realizó a dos fuentes sin embargo lo esperado, se cae más de un 10 por ciento, en las pruebas se efectuaron ajustes a estas medidas como el aumento de la tensión de manera simétrica y también algunos detalles de precisión en las resistencias.
La importancia de calcular y de examinar la correspondiente temperatura de los elementos de “alta” potencia, es necesario verificar si se es necesario usar disipadores para este transistor ya que en caso de no hacerlo el transistor se daña, debido a sus características.
Es importante determinar la etapa preamplificadora sin distorsión es por eso que se usó realimentación en serie para generar una gran ganancia y así ingrese al drive con un muy buen voltaje y una corriente adecuada.
El uso de la clase AB es una de las más comunes, sin embargo esta nos consume un poco de energía y las pérdidas generadas por estas son grandes en comparaciones con otras clases.
Verificar el espectro del amplificador es importante, ya que entre menos armónicos se presenten nos genera una buena “calidad” de sonido.
El diseño al hacer un amplificador de potencia y más en la aplicación de audio es recomendable tener en cuenta que abarque señales mucho más grande para evitar distorsión o recortes, una de los factores más importantes es estudiar y verificar las referencias respecto a corriente y voltajes que se manejan, para evitar daños en el circuito.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Louis Nashelsky, Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos; Octava Edición; Pearson
Tomasi; Sistemas de comunicaciones electrónicas; Prentice Hall
Circuitos Microelectrónicos; Rashid
Douglas Self, Audio Power amplifier Design Handbook; Tercera edición; Newnes
www.learnabout-electronics.org/Amplifiers/amplifiers55.php
Apuntes de Clase
