6.10: Amplificador de audio Clase B

PARTES Y MATERIALES

• Cuatro baterías de 6 voltios
• Amplificador operacional dual, modelo TL082 recomendado (Radio Shack catálogo # 276-1715)
• Un transistor de potencia NPN en un paquete TO-220 (catálogo de Radio Shack # 276-2020 o equivalente)
• Un transistor de potencia PNP en un paquete TO-220 (catálogo de Radio Shack # 276-2027 o equivalente)
• Un diodo de conmutación 1N914 (Radio Shack catálogo # 276-1620)
• Un condensador, 47 µF electrolítico, 35 WVDC (catálogo de Radio Shack # 272-1015 o equivalente)
• Dos capacitores, 0.22 µF, no polarizados (Radio Shack catálogo # 272-1070)
• Un potenciómetro de 10 kΩ, cono lineal (Radio Shack catálogo # 271-1715)

Asegúrese de usar un amplificador operacional que tenga una alta tasa de respuesta. Evite el LM741 o LM1458 por este motivo.

Cuanto más se acerquen los dos transistores, mejor. Si es posible, intente obtener los transistores TIP41 y TIP42, que son transistores de potencia NPN y PNP estrechamente emparejados con clasificaciones de disipación de 65 vatios cada uno. Si no puede obtener un transistor TIP41 NPN, el TIP3055 (disponible en Radio Shack) es un buen sustituto. No utilice transistores de potencia muy grandes (es decir, caso TO-3), ya que el amplificador operacional puede tener problemas para conducir suficiente corriente a sus bases para un buen funcionamiento.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 4: “Transistores de Unión Bipolar”

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 3, Capítulo 8: “Amplificadores Operacionales”

Objetivos de aprendizaje

• Cómo construir un amplificador de clase B “push-pull” usando transistores bipolares complementarios
• Los efectos de la “distorsión de cruce” en un circuito amplificador push-pull
• Uso de retroalimentación negativa a través de un amplificador operacional para corregir las no linealidades del circuito

Diagrama esquemático

Ilustracion

INSTRUCCIÓN

Este proyecto es un amplificador de audio adecuado para amplificar la señal de salida de una pequeña radio, reproductor de cinta, reproductor de CD o cualquier otra fuente de señales de audio. Para el funcionamiento estéreo, se deben construir dos amplificadores idénticos, uno para el canal izquierdo y otro para el canal derecho. Para obtener una señal de entrada para que este amplificador se amplifique, simplemente conéctelo a la salida de una radio u otro dispositivo de audio como este:

Este circuito amplificador también funciona bien en la amplificación de señales de audio de “nivel de línea” de componentes estéreo modulares de alta calidad. Proporciona una sorprendente cantidad de potencia de sonido cuando se reproduce a través de un altavoz grande, y tal vez funcione sin disipadores térmicos en los transistores (aunque deberías experimentar un poco con él antes de decidirte a renunciar a los disipadores de calor, ya que la disipación de potencia varía según el tipo de altavoz utilizado).

El objetivo de cualquier circuito amplificador es reproducir la forma de onda de entrada con la mayor precisión posible. La reproducción perfecta es imposible, por supuesto, y cualquier diferencia entre las formas de onda de salida y entrada se conoce como distorsión. En un amplificador de audio, la distorsión puede hacer que los tonos desagradables se superpongan al sonido verdadero. Hay muchas configuraciones diferentes de circuitería de amplificador de audio, cada una con sus propias ventajas y desventajas. Este circuito en particular se llama circuito de “clase B”, push-pull.

La mayoría de los amplificadores de “potencia” de audio utilizan una configuración de clase B, donde un transistor proporciona energía a la carga durante la mitad del ciclo de forma de onda (empuja) y un segundo transistor proporciona energía a la carga para la otra mitad del ciclo (tira). En este esquema, ninguno de los dos transistores permanece “encendido” durante todo el ciclo, dando a cada uno un tiempo para “descansar” y enfriarse durante el ciclo de forma de onda. Esto lo convierte en un circuito amplificador de bajo consumo, pero conduce a un tipo distinto de no linealidad conocida como “distorsión de cruce”.

Aquí se muestra una forma de onda sinusoidal, equivalente a un tono de audio constante de volumen constante:

En un circuito amplificador push-pull, los dos transistores se turnan para amplificar los semiciclos alternos de la forma de onda así:

Sin embargo, si la “transferencia” entre los dos transistores no está sincronizada con precisión, la forma de onda de salida del amplificador puede verse así en lugar de una onda sinusoidal pura:

Aquí, la distorsión resulta del hecho de que hay un retraso entre el momento en que un transistor se apaga y el otro transistor se enciende. Este tipo de distorsión, donde la forma de onda “aplana” en el punto de cruce entre semiciclos positivo y negativo, se denomina distorsión de cruce. Un método común para mitigar la distorsión de cruce es polarizar los transistores de manera que sus puntos de encendido/apagado realmente se superpongan, de modo que ambos transistores estén en un estado de conducción por un breve momento durante el período de cruce:

Esta forma de amplificación se conoce técnicamente como clase AB en lugar de clase B porque cada transistor está “encendido” durante más del 50% del tiempo durante un ciclo completo de forma de onda. La desventaja de hacer esto, sin embargo, es el aumento del consumo de energía del circuito amplificador, ya que durante los momentos de tiempo en los que ambos transistores están conduciendo, hay corriente conducida a través de los transistores que no están pasando por la carga, sino que simplemente está siendo “cortocircuitada” de uno riel de alimentación al otro (de -V a +V). Esto no sólo es un desperdicio de energía, sino que disipa más energía térmica en los transistores. Cuando los transistores aumentan de temperatura, sus características cambian (V _sea caída de voltaje directo, β, resistencias de unión, etc.), dificultando la polarización adecuada.

En este experimento, los transistores operan en modo puro de clase B. Es decir, nunca están conduciendo al mismo tiempo. Esto ahorra energía y disminuye la disipación de calor, pero se presta a la distorsión cruzada. La solución tomada en este circuito es usar un amplificador operacional con retroalimentación negativa para conducir rápidamente los transistores a través de la zona “muerta” produciendo distorsión de cruce y reducir la cantidad de “aplanamiento” de la forma de onda durante el cruce.

El primer amplificador operacional (más a la izquierda) que se muestra en el diagrama esquemático no es más que un búfer. Un búfer ayuda a reducir la carga de la red de capacitor/resistencia de entrada, que se ha colocado en el circuito para filtrar cualquier voltaje de polarización de CC de la señal de entrada, evitando que cualquier voltaje de CC sea amplificado por el circuito y enviado al altavoz donde podría causar daños. Sin el amplificador operacional de búfer, el circuito de filtrado de capacitor/resistencia reduce la respuesta de baja frecuencia (“graves”) del amplificador y acentúa la alta frecuencia (“agudos”).

El segundo amplificador operacional funciona como un amplificador inversor cuya ganancia es controlada por el potenciómetro de 10 kΩ. Esto no hace más que proporcionar un control de volumen para el amplificador. Por lo general, los circuitos de amplificador operacional inversores tienen sus resistencias de retroalimentación conectadas directamente desde el terminal de salida de amplificador operacional al terminal de entrada de inversión de esta manera:

Si tuviéramos que usar la señal de salida resultante para accionar los terminales base del par de transistores push-pull, sin embargo, experimentaríamos una distorsión de cruce significativa, porque habría una zona “muerta” en el funcionamiento de los transistores ya que el voltaje base pasaba de + 0.7 voltios a - 0.7 voltios:

Si ya has construido el circuito amplificador en su forma final, puede simplificarlo a esta forma y escuchar la diferencia en la calidad del sonido. Si aún no ha comenzado la construcción del circuito, el diagrama esquemático que se muestra arriba sería un buen punto de partida. Amplificará una señal de audio, ¡pero sonará horrible!

La razón de la distorsión de cruce es que cuando la señal de salida op-amp está entre + 0.7 voltios y - 0.7 voltios, ninguno de los transistores conducirá, y el voltaje de salida al altavoz será de 0 voltios para todo el lapso de 1.4 voltios de oscilación de voltaje base. Por lo tanto, hay una “zona” en el rango de señal de entrada donde no se producirá ningún cambio en el voltaje de salida del altavoz. Aquí es donde se suelen introducir intrincadas técnicas de polarización en el circuito para reducir esta “brecha” de 1.4 voltios en la respuesta de la señal de entrada del transistor. Por lo general, se hace algo como esto:

Los dos diodos conectados en serie caerán aproximadamente 1.4 voltios, equivalente a la V combinada _ser caídas de voltaje directo de los dos transistores, resultando en un escenario en el que cada transistor está justo a punto de encenderse cuando la señal de entrada es de cero voltios, eliminando la señal de 1.4 voltios “muerta” zona que existía antes.

Desafortunadamente, sin embargo, esta solución no es perfecta: a medida que los transistores se calientan de conducir energía a la carga, sus caídas de voltaje V _be forward disminuirán de 0.7 voltios a algo menos, como 0.6 voltios o 0.5 voltios. Los diodos, que no están sujetos al mismo efecto de calentamiento porque no conducen ninguna corriente sustancial, no experimentarán el mismo cambio en la caída de voltaje directo. Por lo tanto, los diodos continuarán proporcionando el mismo voltaje de polarización de 1.4 voltios aunque los transistores requieran menos voltaje de polarización debido al calentamiento. El resultado será que el circuito deriva hacia la operación de clase AB, donde ambos transistores estarán en estado de conducción parte del tiempo. Esto, por supuesto, resultará en una mayor disipación de calor a través de los transistores, exacerbando el problema del cambio de caída de voltaje directo.

Una solución común a este problema es la inserción de resistencias de “retroalimentación” de compensación de temperatura en las patas del emisor del circuito de transistor push-pull:

Esta solución no impide el encendido simultáneo de los dos transistores, sino que simplemente reduce la gravedad del problema y evita la fuga térmica. También tiene el desafortunado efecto de insertar resistencia en la trayectoria de corriente de carga, limitando la corriente de salida del amplificador. La solución que opté en este experimento es aquella que capitaliza el principio de retroalimentación negativa de amplificador operacional para superar las limitaciones inherentes del circuito de salida del transistor push-pull. Utilizo un diodo para proporcionar un voltaje de polarización de 0.7-voltios para el par push-pull. Esto no es suficiente para eliminar la zona de señal “muerta”, pero la reduce en al menos un 50%:

Dado que la caída de voltaje de un solo diodo siempre será menor que las caídas de voltaje combinadas de las uniones base-emisor de los dos transistores, los transistores nunca pueden encenderse simultáneamente, impidiendo así el funcionamiento de clase AB. A continuación, para ayudar a deshacerse de la distorsión de cruce restante, la señal de retroalimentación del amplificador operacional se toma del terminal de salida del amplificador (los terminales emisores de los transistores) así:

La función del amplificador operacional es emitir cualquier señal de voltaje que tenga que para mantener sus dos terminales de entrada en el mismo voltaje (0 voltios diferenciales). Al conectar el cable de retroalimentación a los terminales emisores de los transistores push-pull, el amplificador operacional tiene la capacidad de detectar cualquier zona “muerta” donde ninguno de los transistores está conduciendo, y emitir una señal de voltaje apropiada a las bases de los transistores para conducirlos rápidamente a la conducción nuevamente para “mantenerse al día” con la forma de onda de señal de entrada. Esto requiere un amplificador operacional con una alta tasa de respuesta (la capacidad de producir un voltaje de salida de rápido aumento o caída rápida), razón por la cual se especificó el amplificador operacional TL082 para este circuito. Es posible que los amplificadores operacionales más lentos, como el LM741 o el LM1458, no puedan mantenerse al día con la alta dv/dt (tasa de cambio de voltaje a lo largo del tiempo, también conocida como de/dt) necesaria para la operación de baja distorsión.

Solo se agregan un par de condensadores a este circuito para llevarlo a su forma final: un condensador de 47 µF conectado en paralelo con el diodo ayuda a mantener constante el voltaje de polarización de 0.7 voltios a pesar de las grandes oscilaciones de voltaje en la salida del amplificador operacional, mientras que un condensador de 0.22 µF conectado entre la base y el emisor de el transistor NPN ayuda a reducir la distorsión de cruce en ajustes de bajo volumen: