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AMPLIFICADOR DE 25
+ 25W PARA AUTOMOVIL
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| Uno de los temas por el cual recibo
mayor cantidad de consultas trata de, si es posible,
armar una etapa de potencia para automóvil.
Por supuesto que se puede, pero el problema llega
cuando escucho el resto de las condiciones: "tiene
que ser sencilla, fácil de armar y fundamentalmente
económica". Bien, en la mayoría
de los proyectos se fija un presupuesto, esto es:
¿cuánta potencia necesito? ¿cuántas
entradas? etc. Y con respecto a las necesidades se
diseña el equipo. En este caso empecé
al revés, es decir: proyecté un equipo
con pocos componentes, sencillo y barato y luego lo
probé para ver si lo potencia que desarrollaba
era suficiente y la fidelidad buena. Afortunadamente
cumplió con creces todas las condiciones impuestas. |
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Con respecto a la potencia de salida
debo hacer una aclaración necesaria: los
Watts de este equipo están expresados en
RMS (Root Mean Square) o sea la potencia real que
usan todos los técnicos del mundo al hacer
sus mediciones. Un amigo me alcanzó una potencia
comercial, que en su frente decía “600W
x 2” y si hacemos una rápida cuenta
veremos que si entrega 1200W a 12V debe consumir
por lo menos 100 Amper, cosa incompatible con el
cable de 2mm que alimentaba el aparato. La probé
en mi taller y comprobé que entregaba 40
Watts RMS por canal. No se dejen engañar
por los Watts pmpo y demás argumentos de
venta. Pero...¿cómo se mide la potencia
de salida de un equipo? Estudiemos el caso de la
figura 1. Tenemos un amplificador conectado entre
12V y masa. Si ponemos la punta del téster
en la salida del amplificador comprobaremos que
tiene unos 6 Volt, o sea la mitad de la tensión
de alimentación. Para poder conectar un parlante
le colocamos un capacitor de paso (electrolítico
de alto valor) para que bloquee esta componente
continua. Si alimentamos el amplificador con una
onda senoidal pura (para facilitar el cálculo
de potencia) y colocamos un osciloscopio en la salida,
veremos que la onda senoidal (antes del recorte)
tiene un valor de pico cercano a los 6 Volts. Recuerden
que el “cero” en esta disposición
es 6 Volt, al subir la tensión de entrada
llega a 12 Volt, por lo que 12-6=6 Volt.
Para averiguar el valor eficaz de la tensión
debemos dividir el valor de pico por la raíz
cuadrada de 2. Dadas las normales caídas
de tensión en los transistores de salida
podremos ver que la potencia de salida de un canal
de un autoestéreo común puede ser
de:
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En el caso del autoestéreo
tenemos que Vcc=12V, Vcesat=1V (promedio, recordemos
que el transistor no es perfecto y ésta es
la caída de tensión que se produce entre
colector y emisor al llegar a la saturación)
y RL= 4 ohms (que es la impedancia normalizada de
los parlantes de automóvil. Por lo tanto: 12/2
– 1=5 V, dividido por la raíz cuadrada
de 2 da 3,53 Volt (éste es el valor eficaz)
que elevado al cuadrado da 12,5 y dividido por cuatro
da 3,12 Watts, que es la potencia real que da cada
canal del autoestéreo.
Los fabricantes utilizan un truco para aumentar la
potencia con la misma tensión de alimentación:
la disposición en puente (ver figura 2). Aquí
el parlante está conectado entre las dos salidas,
no necesitando capacitor de paso dado que, si bien
están a la mitad de la tensión de alimentación,
entre ellas no hay diferencia de potencial en reposo.
Las entradas son atacadas por la señal de audio
con diferencia de fase de 180º entre sí.
Esto lleva a que si asciende la tensión en
el amplificador de la izquierda, descienda en el de
la derecha, en el límite máximo (recorte
o clipping) sobre el parlante tenemos Vcc-2Vcesat
(recordemos que aquí hay dos caídas
de los transistores por estar el parlante conectado
a dos amplificadores) = 12 – 2 = 10 Volt de
pico. En el proceso inverso, la tensión en
el parlante se encontrará invertida (-10Vp).
Esto nos da una potencia de: |
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| Como vemos, la máxima potencia
que podemos conseguir con una batería de 12
Volt supera por poco a los 10 Watts. ¿Cómo
llegar a los 25 Watts por canal de este proyecto?
Utilizando dos trucos: el primero es subir la tensión
de alimentación con un convertidor y el segundo
es utilizar una configuración en puente. En
la figura 3 vemos el diagrama esquemático del
amplificador, que utiliza dos económicos TDA2030,
que probaron además ser robustos y con una
excelente fidelidad. A la entrada vemos un BC548
(puede ser un 2N2222, 2SC945 o cualquier NPN de
audio con un ß cercano a los 300) en una disposición
un poco particular, la señal entra a la base
y sale tanto por emisor como por colector, pero
desfasadas entre sí 180º, condición
fundamental para que funcione el circuito en puente.
La corriente de colector y la de emisor es prácticamente
la misma, dado que la de base, que se suma a la
de emisor, es despreciable. El divisor resistivo
de base se calcula para que sobre las resistencias
de colector y de emisor caigan aproximadamente 4
Volt. Entre C y E del transistor caen los otros
4 Volt, con lo que nos da una disposición
simétrica en continua.
Las salidas del transistor se acoplan por un divisor
resistivo a sendas entradas de los TDA2030. Esta
importante caída de tensión asegura
que el integrado trabaja aislado de los bucles de
realimentación y ruidos de masa que suelen
propagarse en el chasis del vehículo (ruido
a alternador, distribuidor, etc). Los integrados
están alimentados a 24V y en este caso la
salida de parlante se toma de las patas 4, teniendo
en cuenta no bajar de los 8?, dado que puede recalentar
el circuito integrado y activar su protección
contra sobretemperaturas. Dado que en estos integrados
la Vcesat es de 2 Volt la potencia obtenida en este
caso por canal es de: |
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| Muchos se preguntarán por qué
no bajar la impedancia a 4ohm y obtener así
50 Watt por canal a lo que les respondo que en ese
valor de impedancia la Vcesat sube terriblemente,
obteniendo una potencia apenas superior a los 30 Watts
y aumentando mucho el calen tamiento del integrado,
al punto de disparar la protección térmica.
Piensen que por ser sencillo y económico nos
da 25 Watts reales, que a mi juicio son más
que suficientes para el interior de un automóvil.
La sensibilidad a plena potencia es de 780mV, que
tal vez les parezca un poco “duro”, pero
es así para garantizar la inmunidad al ruido,
como les explicaba anteriormente. Puede excitarse
intercalando un preset entre la salida del autoestéreo
y la entrada del amplificador, ajustándolo
al punto que dé buen volumen sin distorsión.
La plaqueta para armar el amplificador aparece en
la figura 4 y la disposición de los componentes
en la figura 5. No olviden proveer a los integrados
de un disipador generoso y de alimentar a ambos con
un puente. Una vez terminado el convertidor a 24V
y antes de conectarles un parlante deben medir con
un téster entre masa y pata 4 de cada integrado
una tensión cercana a los 12 Volts. De no ser
así revisen el conexionado. |
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| CONVERTIDOR
PWM DE 12 A 24V 70W |
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Comentaba en un párrafo anterior
que uno de los trucos que utilizaba para aumentar
la potencia era subir la tensión de los 12V
de la batería hasta 24V. Para esto desarrollé
un convertidor por modulación de ancho de pulso,
un sistema que todos conocen por haber sido tratado
innumerables veces en artículos sobre fuentes
conmutadas en esta revista (les recomiendo especialmente
uno del Ing. Vallejo en el Nº 183 –edición
Argentina- que trata a fondo el misterio de las fuentes
switching).
De todas maneras trataré de dar una somera
explicación del funcionamiento de ésta
en particular. Veamos la figura 6, en ella aparece
un toroide (una bobina o inductancia) acoplada a
un interruptor cerrado (el MOSFET de conmutación).
En este caso circula por la inductancia una corriente,
almacenando entonces energía. Al abrirse
el interruptor (figura 7) y por el fenómeno
de la autoinducción, se genera en los extremos
de la inductancia una sobretensión inversa
de valor elevado. Esta es guiada por el diodo al
capacitor electrolítico de la salida, siendo
derivada por un divisor resistivo (R1,R2) a un comparador,
que modifica el ancho de los pulsos que abren y
cierran el MOSFET para lograr un valor estable de
tensión de salida.
En la figura 8 podemos ver el diagrama esquemático
de la misma. El controlador es un SG3524, que permite
acoplar dos MOSFET con salidas complementarias,
trabajando a una frecuencia cercana a los 50KHz.
Los toroides los saqué de una fuente de PC
quemada y tienen un diámetro exterior de
27,5mm, diámetro interior de 14mm y un ancho
de 12,5mm y están pintados de amarillo y
blanco. Tienen bobinado 1 metro de par trenzado
de 0,70mm para facilitar su enrollado, debiendo
quedar unas 22 a 25 espiras, con una inductancia
aproximada de 70µHy. El motivo principal del
uso de este tipo de fuente es que puede usarse cualquier
toroide. En las pruebas usé varios modelos
distintos (dentro de las medidas especificadas)
y tuve resultados satisfactorios en todos los casos.
La diferencia entre un toroide bueno y uno malo
es la capacidad de corriente que puede entregar,
pero la tensión permanece invariable. La
figura 9 nos muestra la plaqueta del convertidor
del lado del cobre y la figura 10 la ubicación
de los componentes. En el prototipo utilicé
diodos rápidos (Fast Recovery) individuales,
pero como estos componentes son caros (casi lo mismo
que los MOSFET) propongo en la figura 11 el uso
de un par de diodos rápidos de fuente de
PC en desuso, que vienen en un encapsulado TO-3
y tienen sus cátodos unidos al centro y un
ánodo en cada extremo. Puede ser conveniente
el uso de un pequeño disipador. En la salida
figura un pequeño CHOKE, que es simplemente
un toroide pequeño (18 mm de diámetro
exterior) con 10 ó 15 vueltitas de alambre
de 0,70 mm, que sirve para filtrar el ruido de conmutación
de los MOSFET. Para los inconformes, que desean
más y más potencia, les pido paciencia
porque estoy experimentando uno de 50+50W RMS, pero
lógicamente es mucho más complejo,
llevando dos convertidores (uno positivo y uno negativo)
y una salida a transistores discreta (por el tema
de la
disipación de calor). Para los que recién
se inician y quieren “hacer ruido” les
ofrezco en la figura 12 un diagrama de armado completo.
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Autor:
Guillermo H. Necco - LW 3 DYL |
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