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SUMARIO

CAPITULO 1 INTRODUCCION A LOS AMPLIFICADORES DE AUDIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Amplificadores en clase A . . . . . . . . . . . . . . .5 Amplificadores en clase B . . . . . . . . . . . . . . .5 Amplificadores en clase A-B . . . . . . . . . . . . .6 Amplificadores en clase C . . . . . . . . . . . . . . .6 Amplificadores en clase H . . . . . . . . . . . . . .6 Amplificadores en clase D . . . . . . . . . . . . . .6 Señales PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 DSP y sistemas digitales . . . . . . . . . . . . . . . .11

Uso del terminal de control y el reset . . . . . .39 Modulador por ancho de pulso PWM . . . . . .39 El circuito completo del modulador . . . . . . .41 El mundo digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 Los números . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42 La realimentación negativa . . . . . . . . . . . . . .43 Circuito equivalente mecánico de una bocina43 La realimentación negativa . . . . . . . . . . . . . .44 La realimentación negativa en amplificadores PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 Modulador PWM ultralineal . . . . . . . . . . . . .47 Amplificadores PWM integrados . . . . . . . . .50

CAPITULO 2 DIGITALIZACION DE LA SEÑAL . . . . .13 Modulación analógica y modulación digital .13 Filtro PWM real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14 El modulador PWM con filtro real . . . . . . . .15 Llaves PWM con transistores . . . . . . . . . . . .18 Amplificador de potencia con MOSFET . . .19 Prueba de la etapa de potencia y excitadora .20

CAPITULO 5 LA FUENTE DE ALIMENTACION Y ELECCION DE LAS BOCINAS . . . . . . . .51 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 La elección de las bocinas . . . . . . . . . . . . . . .52 La fuente de alimentación por módulos . . . .53 Diseño del circuito impreso . . . . . . . . . . . . . .55 Prueba de la fuente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58

CAPITULO 3 COMPONENTES PASIVOS USADOS EN UN AMPLIFICADOR DIGITAL . . . . . . .23 Potencia, tensión de fuente y corriente . . . . .23 Características de los capacitores . . . . . . . . .24 Capacitores fijos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 Capacitores de mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 Capacitores de plástico . . . . . . . . . . . . . . . . .25 Capacitores electrolíticos . . . . . . . . . . . . . . . .25 El inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 Prueba del filtro terminado . . . . . . . . . . . . . .27 Prueba y reparación de un amplificador de audio digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28 La resistencia de carga . . . . . . . . . . . . . . . . .30 Medición del filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30 Mediciones sin el osciloscopio . . . . . . . . . . .31 Medición de rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . .32 CAPITULO 4 EL MODULADOR PWM PROYECTO DE UN AMPLIFICADOR CON MODULADOR DE PULSO . . . . . . .35 Funcionamiento de un LM555 como temporizador monoestable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35 Funcionamiento del LM555 como oscilador astable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 Consideraciones de diseño . . . . . . . . . . . . . .38

CAPITULO 6 AGREGANDO PROTECCIONES AL AMPLIFICADOR PWM . . . . . . . . . . . . . .59 Las protecciones en el amplificador . . . . . . .59 Cálculo de los resistores sensores de sobrecorriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 Circuitos de los fusibles electrónicos . . . . . .61 CAPITULO 7 DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO DEL AMPLIFICADOR DIGITAL . . . . . . . . . . .65 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65 El dibujo del circuito eléctrico preparado para el impreso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67 El trazado de las pistas . . . . . . . . . . . . . . . . .69 El disipador térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 Armado, conexionado y prueba . . . . . . . . . .72 Diseño del generador de portadora y del modulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74 El circuito en Live Wire preparado para diseñar el circuito impreso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76 Prueba del modulador . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 Prueba sin osciloscopio . . . . . . . . . . . . . . . . .78 Prueba final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79 El diagrama de armado total del amplificador digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79

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Director Ing. Horacio D. Vallejo

Autor de este Tomo Ing. Alberto H. Picerno Producción José María Nieves

Selección y Coordinación: Ing. Horacio D. Vallejo EDITORIAL QUARK S.R.L.

Propietaria de los derechos en castellano de la publicación mensual SABER ELECTRÓNICA - Herrera 761 (1295) - Capital Federal - Buenos Aires - Argentina T.E. 4301-8804 Administración y Negocios Teresa C. Jara Patricia Rivero Rivero Margarita Rivero Rivero

Staff Olga Vargas Hilda Jara Liliana Teresa Vallejo Diego Vallejo Ramón Miño Fabian Nieves Luis Alberto Castro Regalado José Luis Paredes Flores Sistemas: Paula Mariana Vidal Red y Computadoras: Raúl Romero Video y Animaciones: Fernando Fernández Legales: Fernando Flores Contaduría: Fernando Ducach Técnica y Desarrollo de Prototipos: Alfredo Armando Flores Atención al Cliente Alejandro Vallejo [email protected]

Internet: www.webelectronica.com.ar Publicidad: Rafael Morales [email protected]

Club SE: Luis Leguizamón [email protected] Editorial Quark SRL Herrera 761 (1295) - Capital Federal www.webelectronica.com.mx La Editorial no se responsabiliza por el contenido de las notas firmadas. Todos los productos o marcas que se mencionan son a los efectos de prestar un servicio al lector, y no entrañan responsabilidad de nuestra parte. Está prohibida la reproducción total o parcial del material contenido en esta revista, así como la industrialización y/o comercialización de los aparatos o ideas que aparecen en los mencionados textos, bajo pena de sanciones legales, salvo mediante autorización por escrito de la Editorial. Enero 2011. Impresión: Talleres Babieca - México

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Editorial ¡Los bits llegaron a los amplificadores de audio digitales… aprenda a diseñar amplificadores de audio digitales y ármelos usted mismo! Obtenga desde 1W a 500W con el mismo circuito usando 2 MOSFet de conmutación de muy bajo costo y un núcleo que puede tomar de un fly-back viejo. Aprenda a construir parlantes digitales de 8 y 12 bits. Sepa cómo montar 8 o 12 parlantes… uno para cada bit. Arme amplificadores digitales con un PIC. Esta obra le propone capacitarse con teoría, práctica y construcción de sus propios equipos en circuitos impresos. Aprenda a conocer y sepa cómo funcionan los componentes especiales para amplificadores digitales. ¡Conozca “muchas locuras más” pero que funcionan y son económicas! Este texto es un “minicurso” cuyo objetivo es enseñarle el funcionamiento de los amplificadores de audio y darle algunos consejitos para obtener excelentes beneficios con poca inversión. Tratar un tema tan trillado no parece tener sentido; sin embargo no se apresure, éste no será un curso clásico de audio ya que, aunque haremos un repaso de los amplificadores analógicos, le vamos a enseñar en forma práctica cómo funciona un amplificador que sólo posee transistores MOSfet del tipo llave como salida, que no calienta, que no usa disipadores y que puede tener la potencia que Ud. quiera en un tamaño diminuto y con una fuente igualmente pequeña. Los amplificadores clásicos tienen un rendimiento del 60% con un buen diseño. Un amplificador digital puede tener un rendimiento del 95%. ¿Y eso es todo? No, eso es sólo el principio, le vamos a explicar cómo se construye un parlante digital en donde la conversión D/A se realiza en la bobina móvil del parlante y le daremos los datos para que pueda construir parlantes digitales. Y también le vamos a explicar cómo se construye un sistema digital donde se utiliza un parlante diferente para cada bit de la señal digital, es decir “un sistema en que la conversión D/A se realiza en el propio tímpano del oyente”. ¿Piensa que nos estamos adelantando a los acontecimientos? No, muchos de estos sistemas ya forman parte de la nueva generación de Home Teather y TVs de LCD y PLASMA. También vamos a realizar montajes, generando kits que le permitan practicar los conocimientos adquiridos en este mini curso. Ing. Alberto H. Picerno

SOBRE EL CD Y SU DESCARGA Ud. podrá descargar de nuestra web un Curso Multimedia Completo Sobre Amplificadores de Audio y Cajas Acústicas, que posee TODAS las lecciones, videos, test de evaluación, guías y proyectos prácticos, etc. Para realizar la descarga deberá ingresar a nuestra web: www.webelectronica.com.mx, tendrá que hacer clic en el ícono password e ingresar la clave “cajasaudio”. Tenga este texto cerca suyo ya que se le hará una pregunta aleatoria sobre el contenido para que pueda iniciar la descarga.

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Introducción a los Amplificadores de Audio INTRODUCCION

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Cuando el amigo lector comience a leer este libro de audio, seguramente pondrá cara de “y yo que soy capaz de arreglar un TV de última generación ¿me voy a poner a estudiar audio?En “Saber” se volvieron locos con Picerno encabezando el manicomio”. Pero ¿y si le digo que en esta obra le vamos a explicar cómo se puede hacer un amplificador de audio con compuertas y algunos pocos componentes externos con una calidad que no envidia para nada a los equipos costosos. O que se puede construir un amplificador con compuertas y transistores MOSFET digitales de potencia para lograr cientos de watt de salida con rendimientos del 90% o más. Y hasta amplificadores de 20W sin disipadores en los MOSFET de potencia, de ésos que cuestan menos de 3 dólares…? Entonces ya no estoy tan loco ¿no? Seguramente Ud. ya está pensando que los amplificadores digitales son lo máximo, que después de eso no hay nada más moderno. Se equivoca, nosotros vamos a explicarle cómo se construye un parlante digital con múltiples bobinas móviles, al que le ingrese un código binario con transistores de potencia y genere “potencia” de audio usando el cono del parlante como conversor digital analógico. Ahora sí, parecería que no hay nada más moderno. Se equivoca, ya existen conjuntos de parlantes en que cada uno de ellos genera un bit de potencia sonora, de modo que el aire hace de conversor digital/analógico. Vamos a tratar de hacer kits para que Ud. pueda experimentar o armar un amplificador analógico y uno digital para hacer pruebas comparativas de iniciación. Tal vez no podamos realizar el conjunto de parlantes pero vamos a tratar de que pueda probar un parlante digital construido en Argentina, aunque quizás nos demoremos algún tiempo dado lo complejo del tema.

INTRODUCCIÓN

En mis tiempos, un amplificador de audio era el primer equipo que uno aprendía a reparar debido a lo simple de su diseño. Hoy los amplificadores de audio han cambiado notablemente su construcción, transformándose en

dispositivos digitales tanto integrados como discretos. Allí donde se requiera un amplificador de elevada potencia y pequeño tamaño, enseguida se piensa en un amplificador digital. En el momento actual de la electrónica, todo funciona en forma digital, salvo la etapa más utilizada en los equipos electrónicos: el amplificador de potencia de audio.

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¿Por qué decimos el equipo más usado? Miremos los equipos que nos rodean. Prácticamente todos, aunque estén dedicados al video o a la informática, tienen un amplificador de potencia de audio y un parlante. En los TVs, mientras eran a TRC (tubo de rayos catódicos), las etapas de video eran analógicas porque el tubo era analógico. Pero con la llegada de los LCDs y los Plasma toda la sección de video ya es digital. Lo primero que se hace con las señales de entrada analógicas es mandarlas a una plaqueta conversora que las transforma en datos y después nunca más se vuelven a transformar en señales analógicas hasta llegar a la pantalla. Allí hay todavía algunos procesos analógicos pero prácticamente pasan desapercibidos. El problema es que el ser humano es analógico y en algún lugar del equipo debe retornar a ese mundo. Cuando más tarde se retorna, más digital se puede considerar al equipo. En audio se puede volver tan cerca del oído humano que ya se puede considerar que no hay posibilidades de mejora; salvo el conector cerebral del cual ya se están realizando pruebas. En algún momento los ingenieros podremos olvidarnos de los parlantes y las pantallas. Cuando nazca un humano se le colocará un conector adecuado para el video y otro para el sonido y terminamos de una buena vez con las distorsiones de esas viejas pantallas de LCD y plasma y con los parlantes digitales que aún no se popularizaron pero que ya queremos olvidar. Digital desde el autor al usuario. Observe que no mencioné al editor porque junto con la digitalización es muy probable que el mismo autor se encargue de la producción de su obra. Hace la obra en su PC y luego la autoriza para su venta por Internet o alguna otra red que aún no se creó. El comprador la podrá dejar en su PC o pasarla a algún sistema portátil de memoria masiva que se conecte a su puerto cerebral. ¿Ciencia ficción? No, estamos muy cerca de ese mundo con puertos cerebrales; mucho más cerca de lo que Ud. supone y es muy probable que hasta un viejo escritor como yo, de 63 años pueda llegar a ver todo esto convertido en realidad, antes de ver crecer las plantas desde abajo. 4

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En esta miniserie aún no veremos los puertos cerebrales ni al autor vendiendo su obra; pero llegaremos lo más cerca posible. En principio con los nuevos discos digitales (CD, DVD, Blu ray y DVD HD) y con las memorias para guardar MP3 y MP5, la información ingresa a los equipos digitalizada. No son datos de audio PCM (Pulse Code Modulation) que es lo que entienden los amplificadores digitales desde la época en que se comenzaron a usar con el Minidisc. PCM es la información que Ud. puede encontrar en la salida óptica de los equipos de audio (la tienen hasta los viejos AIWA 330) y salvo por el hecho de que los dos canales están saliendo por la misma vía con un código que los identifica, luego todo se resume a un número binario que representa muestras de audio de 16 bits. Para comenzar esta serie vamos a realizar un repaso sobre todos los tipos de amplificadores utilizados hasta la actualidad, para llegar a los más modernos con un conocimiento histórico adecuado. El amplificador, en un sistema de audio, será el encargado de amplificar la entrada hasta un cierto nivel, capaz de manejar el parlante de manera que el sonido pueda ser escuchado con una presión sonora adecuada al espacio a sonorizar. Cuando estos espacios son grandes, la cantidad de presión necesaria necesita de grandes cantidades de potencia eléctrica que debe suministrarse a los altavoces, siguiendo la referencia de la señal de audio original. En estos casos se precisan amplificadores capaces de controlar el parlante de la manera más precisa posible, a la par de suministrar la potencia requerida, respetando en todo momento la dinámica propia del programa musical. Tradicionalmente se han empleado amplificadores donde el transistor de potencia opera en su zona lineal, pero conseguir potencias elevadas trabajando de esa forma es poco más que imposible y muy caro. Los amplificadores digitales tienen llaves de potencia que sólo se abren y cierran. Y esto es lo ideal cuando se requieren potencias elevadas porque no hay casi disipación en las llaves si éstas son suficientemente rápidas. En esa serie vamos a explicar lo más moderno del audio digital. Digital desde el disco o la memoria hasta el oído

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un preamplificador con carga a transformador y un transistor de salida también con transformador que adaptaba la impedancia de parlante a la impedancia de colector del transistor. En la actualidad un amplificador de este tipo tendría un valor prohibitivo por los elementos bobinados ya que los mismos requieren el trabajo de un ser humano (son muy difíciles de construir con máquinas robotizadas). Se prefieren los circuitos integrados, inclusive los híbridos, porque se fabrican con máquinas ensambladoras automáticas y componentes SMD y luego se prueban con máquinas automáticas y software para PC. En aquella época también se los prefería porque su consumo es constante y si la conexión a la batería no es buena sólo se pierde algo de potencia, pero la radio sigue funcionando sin problemas de fuente común.

que, aunque es analógico, se puede utilizar como conversor D/A. Para comenzar vamos a los amplificadores clásicos en un corto repaso. Estas son algunas de las topologías más utilizadas.

AMPLIFICADORES EN CLASE A

En esta modalidad todos los elementos activos de la etapa de salida se encuentran conduciendo en su zona lineal, durante la amplificación. Se emplean en equipos HI-FI donde el rendimiento no es importante, dado que presentan una distorsión armónica muy reducida. Fue el circuito preferido para las viejas autorradios sin pasacassettes ni reproductor de CD. Sólo radio de AM, FM y un amplificador formado por

Para que el lector pueda realizar alguna prueba vamos a tratar un circuito que se utiliza normalmente para excitar pequeños parlantes. Salvo por la potencia, la experiencia es válida porque el transistor repetidor funciona en clase A. En la figura 1 se puede observar un amplificador clase A tipo emisor común simplificado.

AMPLIFICADORES EN CLASE B

En el amplificador en clase B se emplean dos elementos activos en la etapa de salida, de manera que cada uno de ellos conduce tan sólo en el semiciclo positivo o negativo de la señal de entrada. De esta manera se consigue un mejor rendimiento debido a que el transistor tan sólo conduce durante el 50% del ciclo completo, pero con mayor distorsión originada por la zona de transición por cero o “crossover”.

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La figura 2 muestra un amplificador clase B simplificado

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En esta configuración se permite que los dos transistores de la etapa de salida conduzcan al mismo tiempo, durante un breve instante de tiempo, para evitar la distorsión en los cruces por cero. Dado que puede alcanzarse un rendimiento mayor que en clase A con menor distorsión que en clase B, es el más comúnmente usado. La figura 3 muestra un amplificador clase AB simplificado.

Figura 2

AMPLIFICADORES EN CLASE C

No se utilizan prácticamente en amplificadores de audio, salvo para los megáfonos portátiles en donde la distorsión puede ser muy elevada pero el consumo debe ser bajo. Su aplicación son los amplificadores de potencia sintonizados de RF que se usan en los transmisores de radio y TV analógicos y digitales.

res presentan las ventajas de los amplificadores en clase AB respecto a distorsión armónica y aumentan el rendimiento hasta un 70%~80%. En la actualidad son muy valorados en el mundo del audio profesional. Para muchos autores estos amplificadores son los clase D, ya que aparecieron en el mercado luego de los de clase AB y la letra C ya se empleaba para los amplificadores de RF.

AMPLIFICADORES EN CLASE D AMPLIFICADORES EN CLASE H En estos tipos de amplificadores se dispone de dos niveles de alimentación distintos que permiten evitar las pérdidas en los elementos activos cuando el amplificador no trabaja a plena potencia. Estos amplificado6

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El amplificador en clase D emplea elementos activos trabajando en corte o en saturación, es decir que el transistor de salida es una llave abierta o cerrada y por lo tanto teóricamente no disipa energía. En realidad las llaves no son perfectas y por lo tanto disipan

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corriente de salida del equipo. Además las llaves de potencias deben ser muy rápidas y entonces se tornan caras.

Figura 3

De todos modos, es una tecnología que no está muy difundida pero se emplea sobre todo en los amplificadores para buffers. Con referencia a las topologías empleadas hasta ahora, el amplificador clase D aumenta el rendimiento notablemente hasta valores superiores al 90%. Esto permite realmente diseños más compactos y menos pesados. El empleo de una realimentación es muy importante para conseguir niveles de distorsión armónica similares a los diseños tradicionales. La figura 4 muestra un amplificador clase D simplificado.

algo de energía, pero siempre mucho menos que un transistor trabajando en clase A, B o inclusive C. En realidad, el problema del consumo de energía no es lo que más le importa al fabricante porque esa energía la paga el usuario. Su interés es reducir el tamaño de los disipadores y poder usar transistores más chicos, con lo cual puede achicar el tamaño total de los equipos. También es posible mantener el tamaño del equipo, los disipadores y los transistores y aumentar la potencia de salida. Como parecen todas ventajas y ninguna desventaja, el lector seguramente se preguntará por qué no están más difundidos los amplificadores digitales clase D. Y la verdadera razón es que, lamentablemente, incluyen un inductor de potencia en el filtro de valor medio de salida y ese inductor debe manejar toda la

En este tipo de amplificador, la señal de audio es codificada como PWM (modulación de ancho de pulso) de manera que la información de amplitud y frecuencia está contenida en el ciclo de trabajo de la conmutación de los transistores de la etapa de potencia. Si Ud. lo necesita puede leer el apéndice sobre señales PWM. Los bloques que forman el amplificador son los siguientes:

A) Etapa de entrada En esta etapa se encuentra el control de ganancia, (antiguo control de volumen a potenciómetro, actualmente reemplazado por un juego de dos pulsadores). Además se incluye un filtro pasa bajos para evitar inestabilidad del lazo de control en la reproducción de frecuencias mayores a 20kHz y por último el desbalanceador que polariza la salida alrededor de una

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tensión continua que comparada con la proveniente de la salida, a través de la red de realimentación opera como polarización de la salida en caso de que la salida requiera un valor de polarización distinto de cero.

B) Etapa de Control Para mejorar la THD (distorsión armónica total) del sistema, se utiliza un lazo cerrado de realimentación negativa. Este lazo, al realimentar la tensión de salida, compensa las imperfecciones de la etapa de potencia. Este bloque es el encargado de anular los errores entre la referencia (señal de entrada) y la señal de salida al parlante. La diferencia con un amplificador clásico es que la realimentación debe estar filtrada con un circuito desplazador de fase para com8

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pensar el desplazamiento de la misma producido por el filtro de salida. Con operacionales, la etapa de realimentación es el clásico restador donde una de las señales es la señal de entrada al amplificador y la otra que ingresa por la entrada inversora, es la realimentación que previamente pasó por un filtro compensador de fase. La figura 5 reproduce el circuito de un restador de realimentación y filtro compensador de fase. Para los que entienden de matemáticas, la función de transferencia de la etapa compensadora de fase para señales pequeñas es la siguiente:

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El ajuste del polo, el cero y la constante de integración es el siguiente:

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portadora una señal triangular con una frecuencia comprendida entre 200kHz y 400kHz, y como moduladora la señal de salida de la etapa de realimentación. El modulador se realizará con un operacional o un comparador, capaz de manejar la frecuencia de la señal portadora. En principio parecería que la frecuencia podría hacerse más alta para facilitar el diseño del filtro de salida. Pero diseñar una llave de potencia que trabaje eficientemente a 400kHz no es simple, por eso se prefiere utilizar una frecuencia más baja aunque el filtro resulte más voluminoso. D) Semipuente

Puede realizarse el ajuste mediante la técnica de “Loop-Shaping” para que el sistema sea estable, empleando el diagrama de Bode y cumpliendo el criterio de estabilidad de Nyquist. Si Ud. no desea diseñar un sistema, sino sólo entender su funcionamiento, le decimos que un amplificador clase D tiene un filtro de salida que provoca un retardo de las señales de audio de alta frecuencia que llegan al parlante. Ese retardo es inaudible porque el oído escucha cada frecuencia de la señal de audio por separado y no puede relacionar la fase de las mismas. Si quiere tener una idea de cómo funciona el oído, piense en él, como si fuera un conjunto de diapasones cortado cada uno con un uno por ciento de diferencia en la frecuencia de resonancia respecto del siguiente; cuando un diapasón vibra, el nervio auditivo lo reconoce y le avisa al cerebro que entró una señal con una frecuencia y una amplitud determinadas. Si tomamos una muestra de la salida y la realimentamos para compararla con la entrada, el desfasaje toma una importancia fundamental porque a diferencia del oído, el comparador reacciona a los desfasajes de las distintas componentes de la señal de audio. Por esa razón la señal realimentada debe procesarse en fase antes de la comparación, ya que no hacerlo significa provocar una distorsión, en lugar de corregirla. Lo que se atrasó en el filtro del parlante se debe adelantar en la red de realimentación.

C) Generador PWM Es el encargado de generar la señal PWM a partir de la señal moduladora (audio de entrada) y la portadora que se genera intrínsecamente. Se emplea como

Está formado por dos transistores llave. Uno se conecta a la fuente negativa y otro a la positiva. Se han empleado transistores MOSFET de potencia de canal N (lo que permite un diseño más eficiente y económico) alimentados mediante una fuente de CC, correctamente desacoplada para evitar el efecto de “pumping” (bombeo) inherente al modo de funcionamiento del amplificador en clase D (las llaves sólo consumen energía en la conmutación y por lo tanto presentan picos de corriente a ritmo de la portadora que deben ser filtrados con una combinación de electrolíticos, capacitores de polyester metalizado y capacitores cerámicos). En la figura 4 sólo se dibujó un capacitor pero recuerde que éste representa 3 capacitores; si sólo usáramos un electrolítico, éste filtraría las bajas frecuencias, pero a 200kHz o 400kHz se comporta con una inductancia considerable. Un capacitor de polyester metalizado seguramente filtrará esas componentes de una centena de kHz. Pero la portadora PWM es una señal rectangular de flancos muy abruptos y hay que asegurarse un buen filtrado, tal vez hasta frecuencias de 100 o 1.000 veces la frecuencia fundamental. A esas frecuencias sólo puede funcionar un capacitor cerámico disco. En realidad, el buen filtrado no mejora la distorsión de la salida; pero su uso es fundamental para evitar la emisión de interferencias. Es decir que, en realidad, lo que estamos diseñando es un filtro EMI que favorece tanto al propio equipo como a equipos vecinos. En efecto, lo más probable es que con un filtrado inadecuado se produzcan oscilaciones en la banda de AM cuando se levanta el volumen.

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E) Filtro de salida Un diseño correcto del filtro de salida presenta múltiples ventajas, como por ejemplo limitar el consumo de corriente (recuerde que por el inductor circula la corriente de salida y que ésta puede ser de 10 ó 20A, si el inductor no tiene el tamaño adecuado se calentará y esa energía térmica sólo puede salir de la fuente de alimentación); minimizar la irradiación del ruido de conmutación (EMI) y proteger al parlante de los armónicos de alta frecuencia debidos a la conmutación. Estos armónicos deben ser suficientemente atenuados, la amplitud de la portadora después del filtro, debe ser como máximo un 5% de la amplitud del primer armónico, pero sin reducir la banda pasante de audio de modo no se vea modificada ni en amplitud ni en fase, por lo menos hasta 20kHz. De los distintos tipos de filtros (Chebyshev, Butterworth y Bessel), se prefiere un filtro tipo Butterworth LC de segundo orden, dado que presenta una respuesta muy plana en la banda pasante, resonancia amortiguada en la frecuencia de corte (entre 15kHz y 25kHz en función de la frecuencia PWM), y por último un número limitado de componentes. Si Ud. sabe de matemáticas puede utilizar las siguientes fórmulas para calcular los valores de L1 y C1 del filtro en función de la resistencia del parlante.

sión de salida de manera que una parte de ella pueda ser introducida en el lazo de control. Es decir que la ganancia del lazo de realimentación es uno de los parámetros más importantes, porque en principio permite ajustar la sensibilidad del amplificador para lograr que funcione a máxima potencia con la señal de entrada nominal.

SEÑALES PWM Los microprocesadores, microcontroladores y cualquier CI que emplee técnicas digitales son componentes específicamente digitales y por lo tanto es difícil hacerlos operar con señales analógicas; o mejor dicho es caro, porque debe tener dos tecnologías mezcladas en su chip. Cuando se trata de una entrada analógica, por lo general el microprocesador posee un conversor analógico digital que transforma la señales apenas ingresan en el dispositivo. Pero cuando se trata de una salida se recurre a la utilización de señales PWM que realizan la adaptación entre el mundo analógico y el mundo digital de un modo extremadamente sencillo; tan sencillo que sólo se requiere un resistor y un capacitor para transformar una señal digital en otra analógica. Un circuito con un resistor en serie con la señal y un capacitor a masa, recibe diferentes nombres de acuerdo al uso que se le da.

F) Protecciones Las más importantes son contra sobrecorriente, contra sobretensión y contra CC circulando por el parlante. Éstas protecciones actuarán sobre la etapa de modulación, impidiendo la conmutación a ON de las llaves a transistor en caso de error.

G) Ganancia de realimentación (ß) Esta ganancia permitirá adaptar el nivel de la ten10

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Puede ser un filtro de corte de agudos en un equipo de audio; un filtro integrador en un TV o un filtro de valor medio en instrumentación. Avanzando en la técnica, el filtro RC pasó, en el momento actual, a tener su uso más común que es el filtrado de señales PWM en equipos en donde se combinan técnicas analógicas con técnicas digitales. Un TV por ejemplo contiene una innumerable cantidad de filtros PWM ya que se los utiliza para todos los ajustes de usuario como por ejemplo el brillo, el contraste, el volumen, etc. El microprocesador del TV genera una onda rectangular con un tiempo de actividad que varía con los pulsadores frontales o del control remoto. El jungla no interpreta señales PWM; sólo interpreta estados lógicos que por lo general son tensiones continuas que varíen entre menos de 2 y más de 4V. Por lo tanto se impone el uso de un filtro de valor me-

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microprocesador que posee un juego de instrucciones, un hardware y un software optimizados para aplicaciones que requieran operaciones numéricas a muy alta velocidad. Debido a esto es especialmente útil para el procesado y representación de señales analógicas en tiempo real: en un sistema que trabaje de esta forma (tiempo real) se reciben muestras (samples en inglés), normalmente provenientes de un conversor analógico/digital (ADC); estas muestras se procesan matemáticamente y posteriormente se las convierte en señales analógicas en la salida.

Figura 6

dio para convertir el idioma PWM del micro en el idioma de tensión continua del jungla. En la figura 6 se muestran tres casos particulares de una señal PWM, en donde se observa un período de actividad bajo, uno medio y uno alto con un laboratorio virtual WB Multisim.

DSP Y SISTEMAS DIGITALES DSP es el acrónimo de Digital Signal Processor, que significa Procesador Digital de Señal. Un DSP es un sistema basado en un procesador o

Ya dijimos que un DSP puede trabajar con señales analógicas, pero es un sistema digital, por lo tanto necesitará un conversor analógico/digital a su entrada y un digital/analógico en la salida. Como todo sistema basado en un procesador programable necesita una memoria donde almacenar los datos con los que trabajará y el programa que ejecutará. Si se tiene en cuenta que un DSP puede trabajar con varios datos en paralelo y un diseño e instrucciones específicas para el procesado digital, se puede dar una idea de su enorme potencia para este tipo de aplicaciones. Estas características constituyen la principal diferencia de un DSP y otros tipos de procesadores. Para adentrarse en su funcionamiento se pondrá el ejemplo de un filtro: el DSP recibe valores digitales o samples procedentes de la señal de entrada, calcula qué salida se obtendrá para esos valores con el filtro que se le ha programado y saca esa salida.

LOS SISTEMAS DIGITALES

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Un posible sistema basado en un DSP se puede observar en la figura 7. En un sistema digital las señales analógicas se convierten en números binarios al ritmo de la señal de clock del sistema. Cada ciclo de clock se transmite un bit (0 o 1) del número binario. De acuerdo a la cantidad de cifras del número binario transmitido se puede generar una diferente cantidad de valores analógicos. Si se transmite una palabra de un solo bit, es evidente que la señal analógica sólo podrá tener dos estados 0 o 1 y la transmisión será groseramente distorsionada. Por ejemplo si debemos transmitir una onda triangular que varía de de 0 a 1V de pico en 2ms (500Hz); se decodificará una señal cuadrada ya que sólo se pueden transmitir dos estados (21 = 2) ; a saber 0 o 1. Si la salida es PWM se obtendrá una PWM del 100% de período de actividad y luego otra de 0% al ritmo de la onda triangular (1/2 ciclo en alto y medio en bajo es decir 1ms en 1 y 1ms en 0). Si se transmite una palabra de dos bit existen cuatro combinaciones posibles de estados alto bajo (4 palabras posibles de dos cifras es decir 22 = 4) a saber: 00

01 10 11

En este caso la onda triangular decodificada puede tener peldaños a 0V 0,33V 0,66V y 1V. Todavía hay una distorsión grosera pero por lo menos se vislumbra la forma de señal transmitida. Además ya se puede aplicar el concepto de salida PWM. En este caso la salida será una onda rectangular con un período de actividad de 0%, 33%, 66%, o 100% en donde cada escalón dura 500µs. En la práctica, las transmisiones son como mínimo de 8 bits lo cual permite generar 28 = 256 valores analógicos diferentes de la señal decodificada. Aquí la señal de salida no tiene una distorsión grosera pero tiene una distorsión. La señal original tiene, teóricamente, todos los valores posibles entre 0 y 1 en tanto que la señal de salida es una escalera donde cada peldaño tiene 1/256 = 4mV. No pueden existir escalones intermedios a 4mV, 8mV, 12mV, 16mV,......... hasta 992mV, 996mV, 1000mV. Esta distorsión recibe el nombre de ruido digital o distorsión de cuantificación En realidad los valores instantáneos de una transmisión analógica no pueden ser infinitos, porque toda transmisión posee un ruido propio que debe considerarse como una indefinición en el valor a decodificar. 12

CLASIFICACION

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Figura 7

Si un sistema analógico tiene un ruido del 2% (realmente muy bajo) y desea transmitir una onda triangular de 1V, en realidad los valores decodificados pueden tener un error debido al ruido de +2mV o –2mV y estamos en el mismo caso que la transmisión digital a 8 bits. El ruido analógico correspondiente a un sistema dado no puede ser reducido mas allá de un dado valor. No importa qué tan caros sean los componentes usados, el ruido térmico tiene un límite mínimo teórico que no puede superarse. En cambio el ruido digital de un sistema puede hacerse tan pequeño como se desee, transmitiendo palabras más largas. Por ejemplo si transmitimos palabras de 16 bits se obtienen 216 = 65.536 escalones de 1/65.536 = 15µV que equivalen a un ruido de 0,002% aproximadamente. Estos valores no son teóricos, el sistema CD utiliza palabras de 16 bits y es un sistema bien práctico y económico. El sistema de 16 bits se puede mejorar, pero recuerde que los bits de una palabra no se transmiten todos juntos, ya que sólo hay una vía de comunicación. Los bits se transmiten uno después de otro y se guardan en una memoria hasta completar los 16 bits; recién después se puede leer el valor transmitido. Esto significa que la velocidad de transmisión disminuye al transmitir palabras más largas. Como la velocidad de procesamiento del decodificador no es infinita, esto significa que el tiempo entre muestras de la señal analógica se hace mayor y entonces sólo se podrán transmitir frecuencias de modulación cada vez más bajas. El valor de 16 bits del sistema CD, permite transmitir muestras a una frecuencia de muestreo de unos 40kHz que permite la transmisión de frecuencias de audio de hasta 20kHz. ☺

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GENERACION DE PWM A PARTIR DE UNA SEÑAL ANALOGICA

emos explicado cómo se puede realizar un amplificador digital por PWM pero no indicamos cómo se genera, en la práctica, una PWM partiendo de una señal analógica. En este capítulo vamos a sugerir algunos simples circuitos prácticos que el lector podrá simular o construir realmente. La solución de cómo digitalizar un amplificador utilizando señales PWM es una solución a medias, pero es lo que se está empleando en la actualidad y debemos conocer el método antes de explicar algo más completo. ¿Por qué digo una solución a medias? Porque la sección digitalizada es mínima. El preamplificador sigue siendo tan analógico como siempre y algo más complejo de realizar porque como explicamos en la entrega anterior, el filtro de la etapa PWM genera un retardo de fase que debe ser compensado en la señal realimentada desde la salida, porque en caso contrario podemos diseñar un bonito oscilador en lugar de un amplificador. Por supuesto que la clásica etapa de salida en clase AB desaparece y con ellas se van las pérdidas por efecto Joule (disipación en las resistencias internas de los transistores de potencia) pero aparecen las pérdidas en el inductor del filtro y debemos entonces construir un componente enorme y pesado para manejar potencias considerables. ¿Qué tipo de construcción física tiene un filtro PWM? ¿Tendrá muchas vueltas de alambre fino o pocas vueltas de alambre grueso? ¿Usará hierro laminado? En principio podemos decirle que su resistencia interna debe ser mucho menor que la resistencia del parlante así que va tener pocas vueltas de alambre grueso. Seguramente usará un núcleo cerrado tipo “E” “I” o dos “C” o toroidal, pero no va a ser un núcleo de hierro laminado porque ese inductor estará sometido a la señal PWM que como sabemos es de una frecuencia de 50KHz aproximadamente y con forma rectangular. Será un transformador más parecido a un transformador de pulsos de TV pero de mayor tamaño, aunque todo depende de la potencia que se le está aplicando al parlante. Si Ud. está pensando que además van a aparecer las distorsiones debidas a la curva de histéresis del hierro, lo vamos a tranquilizar, porque no tiene mayor importancia la linealidad del inductor de filtro.

H

MODULACION ANALOGICA Y MODULACION DIGITAL

Uno de los mayores atractivos del amplificador en clase D es que su funcionamiento puede considerarse (con ciertas reservas) como digital, ya que la amplificación de la señal de audio se lleva a cabo mediante el muestreo de la señal analógica, obteniendo una codificación por ancho de pulso (también lla-

BASES

mada cuantización de 1 bit como para complicar un poco más la cosa). En general, esta codificación PWM se lleva a cabo de forma analógica mediante la comparación de la señal de entrada con una señal triangular de frecuencia mucho mayor que la frecuencia máxima de la señal de audio, de manera que puede evitarse el fenómeno de “aliasing” (batido de las altas frecuencias de la señal de audio con la fundamental de la PWM).

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Dado que los sistemas actuales de soporte y reproducción de audio están basados en procesos digitales (CD, DVD etc.), es preciso convertir primero los datos digitales del disco, al mundo analógico para poder llevar a cabo la amplificación clase “D”. El empleo de convertidores D/A añade distorsión a la señal de audio, por lo que un preamplificador y una etapa de potencia cuidadosamente diseñada pueden resultar inútiles frente a un conversor D/A de mala calidad. La ventaja del amplificador en clase D es que la señal digital de entrada puede ser amplificada sin la necesidad de convertidores, mediante el empleo de distintas técnicas de conversión PCM a PWM. En esta conversión es muy frecuente el empleo de técnicas de “noise shaping” para reducir el ruido debido a la cuantización de la señal, lo que mejora la distorsión armónica total de manera significativa. Esta técnica se basa en una ecuación determinística que emplea un cuantizador fino embebido en un lazo de realimentación, para conseguir alterar la distribución del ruido de cuantización inherente a la señal digital, con el fin de obtener una menor distorsión de cuantificación. Mediante el empleo de un DSP es posible integrar en un solo dispositivo el proceso digital habitual (filtros, retardos, crossovers, etc) y la amplificación sin la necesidad de emplear convertidores D/A, es decir pasando directamente de PCM a PWM. Ver la figura 1. Como se puede observar en los equipos clásicos de CD (el AIWA330 es el más conocido) la señal original grabada en el disco con el código de CD se decodifica y se transforma en la clásica señal estereofónica digital o señal PCM que se puede obtener en el conector óptico, utilizado para conectar un amplificador estereofónico con entrada digital del tipo de los utilizados por los equipos de minidisc de Sony.

Figura 1

resolver un caso práctico de un amplificador de audio (para un parlante de 8 Ohm), de banda completa utilizando dichas fórmulas:

L1 = (1,41 . 8) / (6,28 . 20.000) = 89,8µHy C1 = 1 / (8,85 . 20.000 . 8) = .7 10-6 = .7µF

FILTRO PWM REAL En la entrega anterior le indicamos las fórmulas para calcular el filtro PWM. A continuación vamos a 14

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Estos valores se pueden llevar a un simulador Electronics Workbench Multisim para verificar el funcionamiento con un generador de onda rectangular de 100kHz. Ver figura 2.

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te capítulo, pero la idea del autor al realizarlo es que arme las simulaciones y las pruebe. Si Ud. es alumno de un industrial de electrónica, insista a sus profesores para que juntos realicen las simulaciones. Lo que Ud. puede aprender realizando las simulaciones es infinitamente mayor a lo que puede aprender leyendo el artículo simplemente.

Figura 2

Se puede observar que la primer armónica de la portadora tiene una amplitud de pico 500mV aproximadamente cuando la portadora tiene 10V de pico, es decir un 2,5% que es un valor aceptablemente bajo para el parlante.

La figura 2 que utilizamos para probar el filtro nos puede resultar muy didáctica para entender el funcionamiento del amplificador PWM. La señal del generador es una señal rectangular de amplitud constante. ¿Cómo puede ser entonces que opere como fuente de información de audio en un sistema real? Porque cambia el tiempo de actividad de acuerdo al sonido.

EL MODULADOR PWM CON FILTRO REAL

Comenzaremos a estudiar circuitos para que los pueda armar y probar. Le recordamos que son todos circuitos experimentales creados por el autor, por lo que su comentario puede contribuir al mejoramiento de los mismos. Ud. puede observar simplemente es-

Imaginemos que Ud. quiere escuchar una señal muy sencillita. Un tono de audio de 1kHz de baja amplitud. El modulador genera una portadora de por ejemplo 100kHz y comienza a cambiarle el tiempo de actividad de modo que varíe por ejemplo de 40% a 60% en 1ms (que es el período de una señal de 1kHz) pasando por todos los valores intermedios, incluyendo el 50% del tiempo de actividad, que es cuando la sinusoide de 1kHz pasa por cero. Para entender perfectamente el concepto, vamos a simular el circuito del modulador al que vamos a cargar con un filtro sencillo tipo RC para conectar multímetro digital que mida la salida filtrada. Ver la figura 3. Comencemos explicando que un comparador es un CI analógico que detecta cuando la entrada (+) es más alta que la entrada (-) generando un estado alto en su salida

Figura 3

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que es del tipo a colector abierto (la resistencia de carga debe ser externa, en nuestro caso es R1 conectada a +18V).

Nota: en el osciloscopio de cuatro canales se desplazaron los ceros de los canales A y B a la primer línea de la cuadrícula, empezando desde arriba, y los

Ahora observe que la pata (+) está conectada a un generador de diente de sierra de 100kHz con un período de actividad del 50% y la pata (-) está conectada al cursor de un potenciómetro cuyos extremos están conectados a +1V y -1V; el cursor tendrá, por lo tanto, un potencial nulo cuando está en la mitad de su recorrido, que es el caso mostrado. Como el diente de sierra es de CA, la mitad del tiempo la tensión de la entrada (+) está por arriba de cero y la otra mitad está por abajo. En el osciloscopio se observa la señal de salida, que es una cuadrada con picos de +18V y -17V ya que el transistor interno al saturarse queda a 1V.

Figura 4 Potenciómetro al 75%.

¿Cuál es el valor medio de esta señal? Prácticamente cero, si no fuera por el problema de la tensión de saturación. Observe el multímetro y la forma de señal en la entrada B del osciloscopio. El oscilograma indica un pequeño ripple debido a que no quisimos poner un valor muy grande de C para agilizar la simulación.

Figura 5 Potenciómetro al 25%.

¿Para qué sirve el potenciómetro? Para recortar el diente de sierra de la pata positiva en diferentes lugares y así generar una PWM con un valor medio distinto de cero. En la figura 4 se puede observar las dos señales de entrada y el resultado sobre la salida. 16

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Figura 6 - Señal alterna de 1KHz con base de tiempo rápida.

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canales C y D a una línea por debajo del centro. Observe que la tensión continua del potenciómetro colocado al 75% corta al diente de sierra en forma asimétrica y genera, por lo tanto, una señal de salida rectangular con un semiperíodo positivo corto y un semiperíodo negativo largo. El valor medio sobre C1 queda prácticamente a un valor de -7,5V medidos en el osciloscopio, o exactamente -7,67V indicados por el multímetro.

de un mínimo a un máximo. Si modificamos la base de tiempo del osciloscopio para que se pueda observar la señal de 1kHz se obtiene lo indicado en la figura 7. Aquí se puede observar que el valor medio de la salida varía con la misma forma de señal que la entrada por la pata negativa, salvo un pequeño resto de portadora de 100kHz que no molesta por ser inaudible.

A continuación mostramos el caso inverso, o sea moviendo el potenciómetro al 25% de su valor máximo, obteniendo las señales de la figura 5.

¿Qué conclusiones podemos sacar de todo esto?

En este caso se puede observar que el recorte del diente de sierra ocurre por debajo del centro, de modo que la señal de salida es rectangular pero con un semiperíodo positivo largo y un semiperíodo negativo corto. Esto implica un valor medio positivo de 7,15V.

¿Qué utilidad práctica tiene este circuito? Prácticamente ninguna, pero tiene un gran valor didáctico porque a continuación vamos a reemplazar el potenciómetro por una señal senoidal de 1kHz y a observar las salidas. Ver la figura 6. Prácticamente no se puede observar diferencia alguna en una figura estática pero en la simulación se puede observar que el punto de corte del diente de sierra sube y baja a un ritmo de 1kHz y que el período de actividad de la salida del comparador cambia

Que una señal senoidal se puede descomponer en una PWM y luego volver a reconstruirla sin producirle distorsión. Y esto significa que puedo realizar una amplificación de potencia tomando la señal del modulador y colocándola en una llave a mosfet de alto rendimiento que teóricamente debería trabajar totalmente fría si no tuviera pérdidas de conmutación. Posteriormente se debe pasar esta señal por un filtro y aplicarla al parlante. Fácilmente se podría utilizar un MOSFET de canal N de 32A como el IRF540 y aplicarlo a una fuente de +250V y un MOSFET como el IRF9540 y aplicarlo a una fuente de -250V. Con un parlante de 8 Ohm obtendríamos una potencia de (250.0,703)2/8 = 3800W (reales, no PMPO). Por supuesto, en la realidad el problema no es tan sencillo porque un filtro para una corriente de 30A no es moco de pavo y los MOSFET en realidad se calientan cuando conducen porque pueden tener una resistencia interna de 0,2 Ohm y cuando circulan 40A por 0,2 Ohm se disipan 80W (40 en cada MOSFET) y no es fácil evacuarles el calor generado.

Figura 7 - Iden pero con una base de tiempos más lenta.

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De cualquier modo, cuando se trata de hacer amplificadores de más de 200W es conveniente recurrir a los amplificadores digitales porque además son mucho mas fáciles de proteger. Lo mismo cuando se requiere un elevado rendimiento aunque no se necesite una gran potencia, como por ejemplo en los equipos para publicidad móvil en auto o en avión.

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LLAVES PWM CON TRANSISTORES

Si le cargáramos nuestro filtro real al LM139E no tendríamos ningún resultado, porque su resistencia de salida es la que nosotros colocamos entre la salida y fuente, que es de unos 220 Ohm como mínimo y no admite la carga de un filtro de 8 Ohm. La salida del comparador debe ser reforzada y el refuerzo depende de la potencia del equipo que Ud. desea diseñar. Si se trata de media potencia, se pueden utilizar simples transistores Darlingtons complementarios que es lo que vamos a indicar a continuación en la figura 8. Si se trata de alta potencia, estos transistores se transforman en excitadores de un par de MOSFETS es decir que el circuito realmente no cambia mucho, sólo se le agregan etapas. Si Ud. observa atentamente la figura no va a tener inconveniente en reconocer algunas secciones clásicas y otras nuevas pero que ya presentamos en este artículo. A la izquierda está el modulador PWM y a la derecha el filtro para carga de 8 Ohm. En el centro tenemos una clásica etapa de salida de simetría complementaria con transistores Darlington complementarios compensados en temperatura por una serie de diodos 1N4148. Q3 funciona cuando la tensión de salida del comparador es superior a cero. Q4 cuando es inferior. Como ambos tienen una disposición en colector común, la resistencia de salida es muy baja e igual a la resistencia de carga del comparador (R3) dividido por el beta del transistor, que por ser un Darlington puede estimarse como 500 de valor promedio. Esto significa que la resistencia de salida del par es de aproximadamente 1000/500 = 2 Ohm.

se deben colocar 4 diodos. Si las bases simplemente se unieran, el circuito funcionaría pero con una importante distorsión cuando la salida atraviesa el cero o cambia el sentido de la circulación de corriente. En efecto, hasta que la salida del comparador no llegue a 1,2V el transistor Q3 no conduciría. Y lo mismo ocurre cuando la tensión baja hasta -1,2V momento en que conduce Q4. Entre -1,2 y +1,2 no conduciría ninguno de los dos transistores y la salida tendría una discontinuidad. Colocando los diodos el problema se soluciona. Imagínese que la salida del comparador está en -2V y por lo tanto está conduciendo Q4. Si esta tensión comienza a acercarse a la de masa en determinado momento la base de Q4 estará a -1,2V, pero debido a los diodos la base de Q3 estará por conducir porque ya tiene 1,2V. Es decir que apenas corta Q4 comienza a conducir Q3 y no hay discontinuidad en el funcionamiento.

¿Cuál es la potencia máxima que puede entregar nuestro circuito? Teóricamente la tensión de pico del audio de salida sobre el parlante puede ser igual a la tensión de salida de la llave electrónica. En nuestro caso la salida puede ser entonces de 18V de pico o de 32V pap. En este caso la tensión eficaz de salida será de 18V/1,41 = 12,76V y la potencia se determina con la fórmula V2/R en donde R es la resistencia del parlante. Reemplazando obtenemos (12,76)2 / 8 = 20W.

Los diodos se colocan para compensar las barreras internas de los Darlingtons. Como cada uno posee dos barreras en serie 18

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AMPLIFICADOR DE POTENCIA CON MOSFET Para completar esta tema, queda por mostrar un amplificador PWM práctico para potencias superiores a 100W. Cuando se trata de conmutar altas corrientes y elevadas tensiones, los MOSFETS son inigualables en cuanto a rendimiento. Sólo hay que tener en cuenta que excitarlos no es tan fácil como parece. Existe la tendencia a pensar que una compuerta aislada que no consume corriente resistiva se puede excitar a alta impedancia. Y realmente no es así. Cuando se trabaja con MOSFETS de gran potencia, la capacidad de la compuerta tiene una importancia fundamental sobre el diseño del excitador, que siempre es una etapa de baja impedancia de salida para que el capacitor de compuerta se cargue y se descargue rápidamente. En la figura 9 se puede observar un amplificador PWM diseñado por el autor y utilizado hasta una salida de 30V pico sobre 8 Ohm. El cálculo de la potencia será entonces (30.0,707)2 / 8 = 107W, es decir aproximadamente 100W. El circuito es muy claro. Observe que el mismo está dividido en dos sectores. Un sector de salida y un pre. No dibujamos el modulador porque para probar el amplificador es preferible dejarlo de lado y agregarlo posteriormente. Observe que se utilizaron dos MOSFETS complementarios, uno tipo P de enriquecimiento y uno tipo N de enriquecimiento. Elegimos transistores de 32 Amperes, aunque este proyecto no lo requiere ya

BASES

que la corriente pico es de 30V/8 Ohm = 3,75A. Del mismo modo, los transistores soportan una tensión de fuente de 100V y los usamos en 30. Esto parece un desperdicio, pero en el fondo no es así. Un MOSFET de 32A tiene una resistencia de saturación de 200 mOhm lo cual implica un rendimiento muy alto y una baja temperatura de trabajo cuando se lo trabaja a sólo 3,75A. El exceso de tensión contribuye a lograr un proyecto casi indestructible, inclusive si se pone el parlante en corto porque entonces la corriente por los MOSFETS queda limitada por el inductor. Más adelante se analizarán las condiciones de seguridad con todo detalle. Es importante observar que Q1 y Q2 se comportan como un push pull. En realidad, el nombre más conocido es el de semipuente porque la rama de salida se parece a medio puente H de los utilizados en electrónica industrial para alimentar motores de CC. Por el tipo de transistor utilizado, Q2 conducirá cuando la compuerta se encuentre unos 4V por debajo del terminal de fuente y Q1 cuando la compuerta se encuentre unos 4V por encima del terminal de fuente. Esto significa que las compuertas se deben alimentar con una diferencia en su valor de polarización, es decir que la compuerta de Q2 debe tener sumada una continua y la compuerta de Q1 debe tenerla restada. Estas tensiones se pueden conseguir con diodos zener pero el funcionamiento de este amplificador en CA es ideal para lograr que las tensiones se produz-

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Figura 10 - Medición de salida nula.

can cargando capacitores de paso (en este caso C2 y C3) mediante los diodos limitadores D1 y D2. D1 no permite que la tensión de compuerta de Q2 supere los 30,6V y D2 no permite que la compuerta de Q1 tenga un valor inferior a -30,6V. Su uso carga los capacitores C3 y C2 exactamente con el valor necesario para que el circuito quede bien polarizado y los transistores conmuten rápidamente aumentando su rendimiento. R5 y R7 operan como una carga mínima de Q3 y Q4 que ayudan a mejorar el arranque del circuito sin afectar mayormente su rendimiento (si Ud. no los coloca, el simulador arranca dando un mensaje de falla). El par complementarios Q3 y Q4 se encargan de excitar a las compuertas a muy baja impedancia y dando un camino de circulación de las corrientes en las dos direcciones posibles (carga y descarga de los capacitores internos de compuerta). Observe que la tensión de alimentación de estos transistores es menor que la tensión de las fuentes de salida, lo cual permite, posteriormente, alimentar al modulador con una tensión alejada de su valor máximo de +-18V. Si el lector lo desea, puede alimentar el preamplificador con un valor menor, como por ejemplo +-10V, que es un valor que aún supera ampliamente el valor necesario de excitación de los MOSFETS. Es decir que el circuito tiene, como característica importante, separar las fuentes de las etapas de salida y la preamplificadora. Con esto se consigue diseñar un amplificador muy flexible simplemente cambiando las fuentes V1 y V2. El autor tiene experiencia en el diseño de amplificadores de 400W simple20

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mente utilizando fuentes de +-80V. También se puede cambiar el valor del parlante por 4 Ohm si se cambia el diseño del filtro y trabajar con tensiones menores de fuente. Lo más importante es que Ud. maneje el tema con gran conocimiento de lo que está fabricando. De hecho, el tema del audio de gran potencia es muy especial porque forma un nicho de producción que no está ocupado por los productos importados, ya que los amplificadores para boliches suelen estar incluidos en el bafle y por supuesto no admiten el valor de un flete desde el exterior.

PRUEBA DE LA ETAPA DE POTENCIA Y EXCITADORA ¿Para trabajar en un tema como el indicado es prácticamente imprescindible poseer un generador de funciones? No, pero se necesita una fuente de señal de onda rectangular con tiempo de actividad y frecuencia variable que imite la salida por colector abierto de los comparadores de tensión. Por el momento vamos a trabajar con un generador de funciones, pero más adelante le vamos a explicar cómo se construye un generador de reemplazo con un PIC y muy pocos componentes externos. Con un multímetro y un generador de funciones se puede hacer realmente mucho. Inclusive una medición de linealidad del sistema. Pero expliquemos qué significa “linealidad” en un equipo digital.

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Figura 11 - Medición al 1% y al 99% de tiempo de actividad.

En un equipo analógico significa que la tensión de salida sea perfectamente proporcional a la tensión de entrada, antes de utilizar la realimentación negativa que todo amplificador necesita. Esto, por lo general, es imposible de realizar en la práctica, porque los amplificadores de audio analógicos realimentan tanto la señal de alterna como la de continua por la misma red y si se desconecta al realimentación de alterna el amplificador no funciona porque queda mal polarizado. Los amplificadores PWM permiten un análisis muy completo sin aplicar realimentación. Inclusive la realimentación es mucho más moderada porque no tienen grandes distorsiones implícitas.

¿Medir distorsión con un multímetro? Sí, la idea es colocar un multímetro sobre la carga (que por supuesto no puede ser el parlante sino una carga resistiva) colocar la señal de entrada con la

BASES

frecuencia de la portadora PWM elegida y un período de actividad del 50%. El multímetro deberá indicar un valor prácticamente nulo. Ver la figura 10. Observe que el multímetro indica -88 mV que puede considerarse como un valor nulo. Ahora se debe probar con un valor de tiempo de actividad de 1% y volver a leer el multímetro. Luego se lo lleva a 99% y se vuelve a medir la tensión de salida. Ya se puede observar que el pre y la salida son perfectamente lineales porque los valores de +29.252 y -29,686 son prácticamente equidistantes de 0. Si lo desea, puede realizar mediciones intermedias y trazar una gráfica. ¿Como es posible que componentes altamente alineales como los transistores bipolares y los MOSFET generen una linealidad tan perfecta? Porque se los utiliza al corte o a la saturación, nunca a un valor intermedio. Eso significa digitalizar un circuito. ☺

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COMPONENTES PASIVOS

USADOS EN UN AMPLIFICADOR DIGITAL

n este capítulo le indicamos cómo construir los componentes de su amplificador en forma práctica. Para eso le pedimos que consiga un Fly-Back quemado porque el inductor de filtro PWM no se puede comprar en una casa de electrónica y el capacitor de filtro no puede ser un electrolítico común.

E

El mayor problema de un proyecto suele ser la construcción de los componentes especiales. Nuestro proyecto de un amplificador PWM tiene dos componentes especiales que suelen ser los que traban la realización práctica del amplificador. Para comenzar vamos a encarar un proyecto ambicioso pero no mucho. Un amplificador de 50W. Podríamos encarar un amplificador de mayor potencia pero queremos que el lector pueda realmente construirlo y escucharlo, y un bafle de 200W por ejemplo, no es algo que esté al alcance de todos. Inclusive un bafle de 50W va a requerir la compra de un parlante considerablemente costoso. El proyecto que encaramos no es una simple receta de cocina para construir un equipo sin entender lo que se está haciendo. El lector que conoce el tema de audio sabe que lo estamos encarando en profundidad, sin dejar nada sin explicar, de modo que si no puede comprar un parlante de 50W lo pueda modificar y realizar un proyecto de menor envergadura (una ventaja de los amplificadores PWM es su flexibilidad de diseño si Ud. usa una fuente de 12V en lugar de la propuesta ya tiene diseñado un amplificador de 10W aproximadamente). Explicaremos las características de los dos componentes especiales que forman parte del filtro PWM. El inductor de 100µH y el capacitor de 0.7µF. Dicho así parece una cosa muy simple, pero realmente no lo es, porque por ambos componentes debe pasar una corriente considerablemente alta y lo primero que vamos a hacer es calcular los parámetros de nuestro amplificador con los cuales diseñar luego los componentes especiales.

POTENCIA, TENSION DE FUENTE Y CORRIENTE Nuestro dato de partida es la potencia sobre el parlante que adoptamos como de 50W. Los parlantes más comunes son de 8 Ohms y con ellos vamos a realizar nuestro proyecto. Vamos a tener que aplicar algo de matemáticas para calcular los otros dos parámetros de nuestro proyecto. P=E.I

Esta es la fórmula de partida con las unidades [W] = [V] . [A] La potencia la conocemos, sólo nos falta averiguar la tensión y la corriente. En lugar de la corriente en la fórmula podemos poner el valor calculado como E/R con lo cual P = E. E/R = E2/R, de donde se despeja la incógnita que es: E2 = P . R

PRIMERAS REPARACIONES

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–––– = √ 50 . 8 = 20V eficaces

grado), o en ppm/ºC (partes por millón por grado centígrado).

E = 28,2V (aproximadamente 30V de pico)

• Tensión máxima de funcionamiento (Vn): también llamada tensión nominal, es la máxima tensión continua o alterna eficaz que se le puede aplicar al condensador de forma continua y a una temperatura menor a la máxima de funcionamiento, sin que éste sufra algún deteriodo.

–––– E= √P.R

Esa es la tensión de fuente positiva y necesitamos otra fuente negativa del mismo valor. La corriente eficaz por el parlante será de: V / R = 28,2 / 8 = 3,5A ¿Por dónde circula la corriente por el parlante en un filtro PWM? Es difícil de decirlo pero a ritmo del generador es evidente que el capacitor tiene una reactancia mucho menor que el parlante. Si Ud. recuerda la reactancia capacitiva es prácticamente un valor despreciable comparado con la resistencia del parlante para que el filtro PWM sea efectivo. Si en el circuito de potencia colocamos un pequeño resistor de 1MΩ en serie con el capacitor, podremos medir que sobre él se produce una tensión de 800mV. Tomemos 1V por seguridad; esto significa que por el capacitor circula 1A a 100kHz y esto no lo puede soportar un capacitor electrolítico común no polarizado.

CARACTERISTICAS DE LOS CAPACITORES

Los capacitores se pueden ordenar de diferentes formas de acuerdo a sus parámetros. Los principales parámetros son: • Capacidad nominal (Cn): es la capacidad que se espera que tenga el condensador. La capacidad nominal está normalizada. • Tolerancia: es la variación que puede presentar respecto al valor nominal del condensador dado por el fabricante. Se expresa en % y puede ser asimétrica (a +b %). • Coeficiente de temperatura: expresa la variación del valor del condensador con la temperatura. Se suele expresar en %/ºC (tanto por ciento por grado centí24

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• Tensión de pico (Vp): máxima tensión que se puede aplicar durante un breve intervalo de tiempo. Su valor es superior a la tensión máxima de funcionamiento. • Corriente nominal (In): es el valor continuo o eficaz de la corriente máxima admisible para una frecuencia dada en la que el condensador puede trabajar de forma continua y a una temperatura inferior a la máxima de funcionamiento. • Corriente de fugas (If): pequeña corriente que hace que el condensador se descargue a lo largo del tiempo. • Factor de pérdidas (tgF): teóricamente cuando se aplica una tensión alterna a un condensador se produce un desfase de la corriente respecto a la tensión de 90º de adelanto, pero en la práctica esto no es así. La diferencia entre éstos 90º y el desfase real se denomina ángulo de pérdidas.

CAPACITORES FIJOS

Estos capacitores tienen una capacidad fija determinada por el fabricante y su valor no se puede modificar. Sus características dependen principalmente del tipo de dieléctrico utilizado, de tal forma que los nombres de los diversos tipos se corresponden con los nombres del dieléctrico usado. De esta forma podemos distinguir los siguientes tipos:

• Cerámicos • Mica • Plástico • Electrolíticos

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¿Cuáles de estos capacitores son los más adecuados para nuestros proyectos? En la figura 1 vemos capacitores cerámicos del tipo disco. El dieléctrico utilizado por estos capacitores es la cerámica, siendo el material más utilizado el dióxido de titanio. Estos capacitores son muy económicos aunque presentan cierta inestabilidad, la capacidad varía considerablemente con la temperatura, la tensión y el tiempo de funcionamiento. Se utilizan en aplicaciones de baja tensión. Rango de capacidad: 1pF a 1 µF. Su utilización es principalmente como desacople de medias y altas frecuencias y dado su pequeño tamaño no admiten su uso para ser circulados por altas corrientes.

aislamiento y elevadas temperaturas de funcionamiento. Ver figura 2. Según el proceso de fabricación podemos diferenciar entre los de tipo k y tipo MK, que se distinguen por el material de sus armaduras (metal en el primer caso y metal vaporizado en el segundo) y por su construcción. Según el dieléctrico usado se pueden distinguir estos tipos comerciales: KS: styroflex, constituidos por láminas de metal y poliestireno como dieléctrico. KP: formados por láminas de metal y dieléctrico de polipropileno. MKP: dieléctrico de polipropileno y armaduras de metal vaporizado. MKY: dieléctrico de polipropileno de gran calidad y láminas de metal vaporizado. MKT: láminas de metal vaporizado y dieléctrico de teraftalato de polietileno (poliéster).

CAPACITORES DE MICA

MKC: makrofol, metal vaporizado para las armaduras y policarbonato para el dieléctrico.

El dieléctrico utilizado en este tipo de capacitores es la mica o silicato de aluminio y potasio y se caracterizan por tener bajas pérdidas, ancho rango de frecuencias y alta estabilidad con la temperatura y el tiempo. Son más costosos que los capacitores cerámicos y se utilizan en lugar de éstos en aquellos casos donde se requiere mayor estabilidad y en aplicaciones de alta frecuencia. Igual que los capacitores cerámicos su pequeño tamaño no los hace adecuados para la circulación de elevadas corrientes.

A nivel orientativo éstas pueden ser las características típicas de los capacitores de plástico. Vea la tabla 1. En nuestro proyecto deberíamos utilizar principalmente los capacitores de Poliéster KS y KT, pero como son difíciles de conseguir en Sudamérica preferimos utilizar una combinación en paralelo de capacitores MKT que son los más comunes en el comercio.

CAPACITORES ELECTROLITICOS CAPACITORES DE PLASTICO En estos capacitores una de las armaduras es de metal, mientras que la otra está constituida por un conductor iónico o electrolito. Presentan unos altos valores capacitivos en relación al tamaño y en la mayoría de los casos son de tipo polarizados. Ver la figura 3. Podemos distinguir tres tipos:

Estos capacitores se caracterizan por las altas resistencias de

Figura 1 - Capacitor cerámico disco.

Figura 2 - Capacitores con dieléctrico de plástico.

• Electrolíticos de aluminio: la armadura metálica es de aluminio y el electrolito de tetraborato armónico.

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• Electrolíticos de tantalio: el dieléctrico está constituido por óxido de tántalo y nos encontramos con mayores valores capacitivos que los anteriores para un mismo tamaño. Por otra parte las tensiones nominales que soportan son menores que los de aluminio y su costo es algo más elevado.

Lo desarmé y le medí la sección para que mis lectores pudieran hacer comparaciones reales. Era de sección prácticamente rectangular de 9,5 x 12,5 mm.

Lo primero que hay que hacer es montarle 10 vueltas de cable de par telefónico y medirle la inductancia que en nuestro caso fue de • Electrolíticos de alto rip23µH medido en el puente RLC a ple: admite elevados picos de co100kHz, con el mismo entrehierro rriente por ellos, pero su cons(una lámina de plástico de 0,2mm) trucción bobinada no los hacen Figura 3 - Capacitores electrolíticos. que tenía originalmente en una de adecuados más allá de las fresus piernas. Si Ud. no tiene cómo cuencias de audio. realizar esta medición busque un núcleo de dimensioDefinitivamente le aconsejamos que utilice 5 ca- nes similares y arme su inductor; las mediciones pospacitores conocidos en nuestro medio como de po- teriores lo ayudarán a comprobar si su construcción liéster metalizado de 0.18µF y los conecte en parale- es adecuada. lo para conseguir una capacidad de 0.9µF. PosteriorLa fórmula para el cálculo de la autoinducción (o mente cuando el amplificador esté en funcionamiento inductancia) dice que es proporcional al cuadrado del utilice el instrumento más utilizado en electrónica que número de vueltas. Es decir que si 10 vueltas tienen es el dedo. Deje funcionar el dispositivo por un par de 23µH, el doble es decir 20 vueltas tendrán 92µH (4 horas y toque los capacitores para ver que no estén veces más que el original). Con unas 21 vueltas tenecalientes. mos nuestro inductor bobinado con una inductancia de 100µH. Para los que gustan de las matemáticas se podría decir que: EL INDUCTOR

L2 = k2. L1

Si el capacitor debe ser especial, el inductor es todavía más especial que el capacitor porque debemos construirlo nosotros en forma artesanal. Como yo sé por experiencia que lo que sobra en un taller de reparaciones son fly-backs, los utilizo en todos mis diseños. Son conocidos los proyectos para reparadores como por ejemplo el fly-back simulado, el yugo simulado, etc, etc. Me divierte disfrazar a un fly-back y en este proyecto le encontré un disfraz perfecto como inductor de potencia para el filtro PWM.

Siendo L1 el valor correspondiente a 10 vueltas. Despejando k2 = L2 / L1 y ––––– k = √ L2/L1 = 2,085

En mi cementerio privado de fly-back encontré uno con el bobinado quemado cuyo núcleo con forma de doble “C” tenía una altura de 56 mm y un ancho de 35 mm. 26

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Tabla 1

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ga. Aquí suponemos que tenemos las dos fuentes y queremos excitar el amplificador para saber si cumple con su cometido y sobre todo saber cual es el requerimiento de las fuentes y de los disipadores de los MOSFET.

Figura 4

Es decir que la cantidad de vueltas será 10 vueltas por 2,082 = aproximadamente 21 vueltas. En el alambre a utilizar no conviene hacer economía para que el mismo inductor nos sirva luego para amplificadores de mayor potencia. Use un cable con una sección de 0,50 o 0,75 mm2 que en una sola capa admite las 21 espiras sobre la rama más larga del núcleo.

PRUEBA DEL FILTRO TERMINADO

Vamos a tener que construir un generador que nos permita realizar las pruebas de nuestro dispositivo. Por supuesto no debe ser algo muy sofisticado y caro y por todos los medios debemos utilizar componentes prediseñados como CI que nos faciliten el trabajo. En principio lo que necesitamos para una primer prueba es un generador astable de señal rectangular, en lo posible con período de actividad del 50% y frecuencia fija de 100kHz que entregue unos 12V de salida a una impedancia de 100 Ohm. Este diseño será luego usado en el conversor analógico a PWM así que todo lo que trabajemos ahora no será en vano. ¿Será caro, será difícil de diseñar, necesito instrumentos muy costosos para probarlo? En el momento actual la electrónica está tan avanzada que el esfuerzo de diseño casi no existe si Ud. sabe sacarle provecho a los laboratorios virtuales que son muy fáciles de conseguir.

El método científico indica ir probando las etapas a medida que se las va diseñando. Hagamos un análisis de situación de lo que tenemos hecho hasta ahora y lo que podemos probar con el equipo disponible en nuestro laboratorio.

Para fabricar un generador optamos por utilizar el laboratorio virtual Workbench Multisim 9.1 (WBM en adelante) y el CI 555 que se consigue en cualquier negocio y a un costo despreciable. El diseño está incluido en el laboratorio virtual. Abra el WBM e ingrese en tools -> circuits Wizard -> 555times wizard y obtendrá una ventana dedicada al diseño de circuitos con el 555 que se puede observar en la figura 4.

Hasta ahora tenemos diseñado el amplificador PWM y el filtro. No tenemos diseñado el excitador, las fuentes y el bafle. El bafle y el excitador podemos dejarlo para la prueba final. Para probar el amplificador PWM y el filtro, solo requerimos una resistencia de carga que reemplace al parlante y lo más complicado, un par de fuentes de 30V que no sabemos qué corriente deben entregar. En el próximo punto vamos a resolver el tema de las fuentes y el resistor de car-

En esta ventana debemos primero seleccionar el tipo de operación como astable y luego colocar los valores deseados de diseño, como la tensión de fuente de 18V, el período de actividad (en realidad debería ser del 50% pero el 555 con este circuito sólo permite un mínimo del 50% y con ese valor es imposible resolver el circuito) y el capacitor de la constante de tiempo de oscilación C que por defecto está colocado en 10nF, el capacitor de filtro Cf que puede quedar

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con el valor por defecto y la resistencia de carga que debe poder alimentar el dispositivo que dejamos en el valor por defecto de 100 Ohm. Cuando ponemos estos valores la ventana marca los valores de R1 y R2 que debemos colocar. El lector verá que con el primer intento dejando C de 10nF los valores resultantes de R1 y R2 son inferiores a 1kΩ. Esta condición es inadecuada y la ventanita “Buil circuit” o “construcción del circuito” queda desactivada indicando que debe elegirse un valor menor para C, por ejemplo 470pF.

Figura 5

El programa vuelve a calcular automáticamente el valor de R1 y R2 que ahora son mayores a 1kΩ y se activa “Build Circuit”. Pulsando allí el circuito se puede pegar sobre nuestro amplificador de potencia digital que indicáramos en la entrega anterior, quedando preparado todo preparado para nuestra prueba de funcionamiento.

Figura 6

En realidad sólo debemos quitar Rl y conectar el circuito al preamplificador mediante un capacitor de .1µF con un resistor de 1kΩ a tierra. En la figura 5 podemos observar el circuito completo separado con una línea de puntos entre generador y amplificador y en donde reemplazamos el capacitor del filtro PWM por los 5 capacitores en paralelo postulados aquí. ¿Podremos escuchar música en nuestro circuito? No, no se apresure, lo único que podemos probar es el funcionamiento del filtro PWM a la frecuencia de muestreo de 100kHz midiendo el valor del ripple, a la frecuencia portadora sobre el parlante luego de haber comprobado que la salida de los MOSFET es la correcta. 28

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PRUEBA Y REPARACION DE UN AMPLIFICADOR DE AUDIO DIGITAL

Si Ud. tiene un osciloscopio es muy simple medir el filtrado y el funcionamiento del amplificador y realizar alguna reparación en caso de falla. Luego explicaremos qué se puede hacer sin osciloscopio y créame que es mucho lo que se puede hacer con un simple multímetro, al cual le agregaremos una sonda medidora de CA. Con el osciloscopio lo primero que se debe hacer es colocar una punta en la salida del generador PWM, o la entrada del preamplificador con transistores bipolares sobre el resistor R4 (haz negro arriba en la pantalla del osciloscopio). Como nuestro generador está alimentado con 18V de fuente prácticamente podemos considerar que su salida es de 18V pap, tal como

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los capacitores C2 y C3 de modo tal que prácticamente la pata de R5 y R7 no conectadas a fuente, tienen una señal que llega desde 30,6V hacia abajo en R5 y desde -30,6V hacia arriba en R7, con un valor pico a pico en ambos casos de 18V. En la figura 8 se pueden observar ambos oscilogramas normales.

lo podemos observar en la figura 6. El segundo haz del osciloscopio se debe colocar sobre la salida de los MOSFET o la entrada al filtro PWM (haz rojo o gris en versión ByN debajo de la pantalla) en donde se debe obtener una señal de 60V pap como se observa en la figura 7.

Es muy importante realizar una observación de los flancos de Si la conclusión es que uno o Figura 7 la señal cuadrada porque ellos son los dos transistores MOSFET tieel reflejo del buen rendimiento nen la compuerta en cortocircuidel sistema. Si los flancos son bien verticales la teo- to, debe considerar que esos transistores se dañaron al ría indica que no hay pérdida de energía en el ampli- soldarlos. ficador de potencia PWM. Soldar un MOSFET no es cosa simple. Un MOSUna de las ventajas del amplificador de audio FET debe venir pinchado sobre una espuma de goma PWM es su sencillez. Si Ud. tiene señal en la entrada conductora. Esa espuma no debe ser quitada hasta y no tiene señal en la salida sólo le queda medir la se- después que se soldó el MOSFET y los resistores R5, ñal en un punto intermedio como por ejemplo la R7, D1, D2, C3 y C2. Si en la casa de electrónica unión de los emisores de los transistores bipolares. Si donde compró los MOSFET no tuvieron en cuenta esallí no tiene señal, lo más recomendable es desconec- te detalle y Ud. observa que el vendedor pone desatar los MOSFET tomando todas las precauciones del prensivamente los dedos sobre los terminales, pídale caso porque se trata de dispositivos sensibles a los que le entregue otros que estén pinchados sobre la gocampos electrostáticos. ma conductora y si se niega vaya a otro negocio. Si ahora tiene señal en los emisores, seguramente uno de los MOSFET tiene la compuerta en corto. El circuito de excitación de gates es perfectamente simétrico con sendos resistores de 1k conectados a -30V y a +30V. Teóricamente los diodos D1 y D2 cargan a

Cuando los transistores están soldados las compuertas están conectadas a tierra para la CA y no corren peligro alguno, ya que el circuito no puede generar tensiones que las dañen debido a los diodos de protección y polarización D1 y D2. Si tiene un S - E VA R I A C no deje de utilizarlo para controlar la temperatura de la punta del soldador y para proveer una aislación extra a la punta (pregunte en [email protected] para recibir información gratuita sobre el SEVARIAC).

Figura 8 - Señales en los gates.

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Una vez que todo funcione bien, hay que realizar la medición de atenuación del filtro. El método es sencillo pero requiere un parlante simulado, es decir una resistencia de carga de 8 Ohm que soporte por lo menos 100W.

LA RESISTENCIA DE CARGA Figura 9

El modo más práctico de realizar una carga de 8 Ohms 100W es utilizando resistores de alambre de 25W. Como seguramente no va a conseguir resistores de 2,2 Ohm 25W para ponerlos en serie, lo único que le queda por hacer es utilizar 4 resistores en paralelo de 33 Ohms 100W que dan un valor de 8,25 Ohm, lo que se encuentra dentro de una tolerancia aceptable. Como seguramente estos resistores no van a ser muy fáciles de encontrar recomendamos otro método muy simple que es utilizar alambre de cobre esmaltado de un diámetro de 0,30 mm aproximadamente. En general la fuente de este alambre es un taller de bobinado de motores. Pregunte por su localidad a ver si consigue algún rollo con restos de alambre. Tome 10 metros y mídalos con el multímetro digital bien ajustado y sin utilizar las puntas del multímetro. Simplemente estañe la punta del alambre de 10 metros colóquelas en los bornes del multímetro y apriételas con alguna cuña de madera redondeada. Luego debe realizar una regla de tres simple del tipo: si 10 metros de alambre tienen una resistencia de x Ohm, una resistencia de 8 Ohm deberá tener z metros de alambre. La fórmula de cálculo sería z = 10 . (8/x). Luego tome una tabla de madera de unos 20 cm de ancho y bobine el alambre a espiras separadas (aproximadamente 1mm) para que disipe mejor. Luego coloque dos chapas de aluminio algo mayores que la madera apretando el bobinado y utilizando grasa siliconada entre el bobinado y el aluminio (no se dibujaron para mayor claridad). Ver la figura 9. Nota: Como valor de refe30

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rencia le indicamos que 10 metros de alambre de 0,20 mm de diámetro tienen una resistencia de 6,6 Ohm. En el momento actual todos los equipos son estereofónicos. Esto significa que Ud. debe encarar la resistencia de carga por duplicado ya que una medición exacta implica medir los dos canales al mismo tiempo para tener en cuenta la caída de tensión en las fuentes de 30V que no son reguladas.

MEDICION DEL FILTRO Conecte un canal del osciloscopio sobre la salida de los MOSFET, el otro sobre la carga de 8 Ohm y mida el resto de portadora. Lo primero que va a observar es que el resto de portadora es prácticamente sinusoidal a pesar de que la salida es cuadrada. La razón debe buscarla en el teorema de Fourier, que dice que toda señal estable es una combinación de señales sinusoidales de frecuencias armónicas con una fundamental igual a la inversa del período de repetición. En nuestro caso tenemos

Figura 11

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valor máximo. El mínimo es muy fácil de conseguir ya que sólo requiere el agregado de un resistor desde la pata 5 del 555 a tierra. Por ejemplo el agregado de un resistor de 220 Ohms lleva el período de actividad al 1%.

Figura 12

una fundamental de 100kHz que es atenuada por el filtro en una dada proporción. La primer armónica de 200kHz es atenuada prácticamente el doble y casi desaparece del espectro, la tercera el triple, etc, etc. En la figura 10 puede observarse el resultado de la simulación con los dos oscilogramas (la conexión es la mostrada en la figura 5). Mientras se realiza esta medición se puede aprovechar para analizar la distorsión del amplificador. Si la señal de entrada tiene exactamente el 50% de tiempo de actividad, el valor medio de la señal cuadrada de salida es igual a cero y luego del filtrado con un filtro infinito debemos medir una tensión continua nula. En el caso real, como el multímetro no responde a la señal de 100kHz la medición de tensión continua es válida y nos indica si la salida o el pre distorsionan el período de actividad y en qué magnitud lo hacen. El resultado de ambas lecturas fue de 1,5V pap de residuo de portadora, que es perfectamente aceptable pero se observa un valor continuo de salida de 0,5V. Analizando la señal de entrada se observa que no tiene un porcentaje exacto de 50% y por eso se produce el corrimiento de la salida y no por una distorsión del amplificador. La medición realizada hasta ahora es incompleta porque se ha realizado a un período de actividad del 50% y con ese período de actividad no hay tensión continua de salida sobre el parlante y no circula corriente por el inductor que podría saturarlo. Para realizar una prueba completa hay que cambiar el período de actividad del generador a un valor mínimo y a un

Con ese período de actividad, la señal prácticamente está haciendo conducir sólo al transistor inferior durante casi todo el tiempo y sobre el resistor de salida debemos tener una tensión continua de 30V, es decir que circula una corriente de 3,75A que podría hacer saturar al núcleo del inductor. Por eso realizamos una medición del resto de portadora sobre la salida para ver el comportamiento del filtro. En la figura 11 se puede observar el oscilograma correspondiente. Utilizando acoplamiento a la corriente alterna se puede observar que el ripple de portadora es de aproximadamente 1V pap, con lo cual podemos decir que el inductor pasa la prueba definitiva. Para realizar una prueba completa es necesario utilizar una señal complementaria a la anterior con un período de actividad de 99%. Pero el 555 no puede generar tal señal, así que se debe agregar un inversor para completar el generador de prueba. Ver la figura 12. Si el filtro sortea todas las pruebas ya podemos pasar a la siguiente etapa de nuestro proyecto. En caso contrario, si el ripple de portadora supera los 2 o 3 V en la medición del 50% o en la del 1% o 99% habrá que seguir trabajando sobre el filtro; cambiando la cantidad de vueltas, si falla al 50%, o el entrehierro y la cantidad de vueltas si falla al 99% o al 1%.

MEDICIONES SIN EL OSCILOSCOPIO Sin osciloscopio sólo le queda el recurso de transformar su multímetro en un medidor de CA de por lo menos 100KHz. En la web del autor puede encontrar un detalle completo de cómo construir una sonda que cubre una banda desde audio hasta microondas absolutamente gratis. Aquí sólo le daremos el circuito para armar una sonda adecuada para medir el valor pap de la señal sobre la carga en la banda de audio hasta unos 500kHz. Ver la figura 13. Recuerde que esta sonda mide valor pico a pico de

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Figura 13

una señal alterna y no está influenciada por los valores de continua presente sobre la salida, es decir que permite la medición tanto la del 50% como al 1% o el 99%.

MEDICION DE RENDIMIENTO ¿Qué és el rendimiento de un amplificador? La noción de rendimiento es la misma para un auto o para un amplificador. En el auto indica cuántos Km por litro puede recorrer el automóvil y es común hacerlo a diferente condiciones de trabajo. Por ejemplo a baja velocidad, a velocidad de crucero, a máxima velocidad con las ventanillas cerradas o abiertas, etc, etc. En un amplificador es el consumo desde la fuente en función de la potencia de salida de audio. Si se toman 50W de la fuente y se envían 50W de potencia de audio a la carga, el rendimiento es unitario o del 100 por ciento. Si se toman 50W de la fuente y sólo salen 25W de audio a la carga, el rendimiento es del 50%. 32

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¿Y qué importancia tiene el rendimiento de un amplificador? En principio todos los seres humanos tenemos una deuda de gratitud con nuestro vapuleado planeta. Si Ud. puede hacer un diseño con un elevado rendimiento, seguramente estará salvando un árbol de una muerte segura, estará reduciendo la polución atmosférica por evitar que se quemen combustibles fósiles y estará aumentando las reservas de petróleo. Pero además estará haciendo un diseño mucho más económico en dos sentidos: A) la fuente será más chica y B) los disipadores sobre los MOSFET serán más pequeños porque la pérdida de rendimiento significa generación de calor. Un amplificador clásico tiene un rendimiento de aproximadamente el 60%. ¿Cuál es el rendimiento esperado de nuestro amplificador? Teóricamente debería ser del 100% si la resistencia de saturación de las llaves MOSFET fuera nula, si el filtro no dejara vestigios de portadora sobre el par-

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Figura 14

lante y si la potencia de excitación de los MOSFET fuera despreciable.

¿Esos factores fueron tenidos en cuenta en el diseño? Desde luego, los MOSFETs utilizados son para más de 20A y tienen unos 0,3 Ohm de resistencia interna cuando están saturados y el filtro deja pasar sólo un 5% de portadora por lo que la potencia perdida sobre el parlante es muy baja y la excitación de un MOSFET es teóricamente nula si conmuta rápidamente.

¿Se puede medir el rendimiento con nuestro generador de prueba? Sí, porque lo podemos poner en la condición de mínimo o máximo período de actividad y simplemente medir la potencia tomada de las fuentes y la aplicada a la carga y simplemente compararlas tal como lo estamos mostrando en la figura 14. En realidad es una medición muy exigente porque

el amplificador va a sacar una tensión continua sobre la carga igual a la tensión de una de las fuentes, es decir 30V y no una tensión eficaz de 30/1,41. Algunas cuentas indican que prácticamente trabajaremos al doble del valor nominal de potencia alterna sobre la carga. Como podemos observar, la potencia consumida de fuente es de: P = 114 + 7,1W = 121W La potencia de salida es de 102W lo que implica un rendimiento del: R = (102/121) . 100 = 84,3 % Por supuesto que en la realidad no tendremos un watímetro y deberemos realizar mediciones de tensión y corriente y sacar la cuenta correspondiente. Seguramente a la potencia nominal de salida el rendimiento será aún mayor. ☺

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EL MODULADOR PWM

PROYECTO DE UN AMPLIFICADOR CON MODULADOR DE PULSO

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xiste una gran cantidad de circuitos moduladores PWM construidos con diferentes dispositivos electrónicos. Por un lado, están los circuitos con componentes discretos que ya son, por lo general, obsoletos por su complejidad, los circuitos con comparadores integrados rápidos, CIs específicos y, por último, el que nosotros vamos a desarrollar, que se basa en dos 555 o en un 556 que es un 555 doble. Lo elegimos por su simplicidad, su claridad de funcionamiento, su facilidad de consecución, su precio y porque muchos lectores ya lo conocen por haberlo usado en diferentes proyectos salidos en nuestra revista. Un LM555 es un integrado de uso general que se suele considerar como un temporizador, ya que ésa es su función principal, pero, combinado con otro 555, permite generar un modulador PWM de excelentes características. Como es una costumbre del autor Ud. debe pagar peaje en forma de lectura de teoría para ingresar a la parte práctica del proyecto. Hay mucho para aprender de este pequeño integrado si lo estudiamos ordenadamente, va a ser un conocimiento aplicable a mil funciones. Y si además utilizamos laboratorios virtuales, mejor aún. Yo considero que aquella vieja división entre el ingeniero y el técnico, que aseguraba que el técnico se ocupaba de hacer funcionar los diseños que hacía el ingeniero, es hoy una barrera que no existe. Hoy el técnico diseña y el ingeniero debe reparar los equipos más complejos que requieren un conocimiento muy profundo de técnicas digitales y analógicas. Me animaría a decir que, en cierto modo, la tarea del ingeniero es también generar programas de computación (laboratorios virtuales) que resuman su conocimiento para que el técnico los utilice y construya sus diseños.

FUNCIONAMIENTO DE UN LM555 COMO TEMPORIZADOR MONOESTABLE

En la figura 1 mostramos el circuito interno y el externo de un LM555 dispuesto como temporizador monoestable.

En esta función el circuito posee un pulsador, y cuando se lo pulsa el circuito genera un pulso alto durante un tiempo que el diseñador ajusta cambiando un resistor y un capacitor. En lugar del pulsador, el circuito puede detectar un pulso de disparo externo.

ELECCION

Los resistores R1, R3 y R4 son del mismo valor. Eso implica que la tensión + de U1B se encuentra a 1/3 del potencial de fuente y el terminal de control a 2/3. Cuando se conecta la fuente, el capacitor C1 se encuentra descargado. Como los potenciales de las

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entradas positivas de ambos comparadores son más positivas que las patas negativas, ambas salidas están altas y el 555 queda en un estado estable alto ya que el terminal de reset del flip flop sigue alto, porque la compuerta and tiene su salida alta. Para sacar al circuito integrado de este estado se debe apretar un pulsador conectado entre “disparo” y masa para que pase a un estado bajo momentáneo. Ahora se invierten las condiciones de la salida del comparador inferior y set pasa a un estado alto. Q negado a su vez pasa a un estado bajo y el transistor se abre y comienza a cargarse el capacitor.

Figura 1 - Circuito del LM555 conectado como temporizador monoestable.

No importa qué “disparo” se haga alta por soltar el pulsador y set pase al estado alto nuevamente, ya que para que se produzca un cambio de estado del flip flop se debe levantar reset. Justamente, eso es lo que ocurre cuando la carga del capacitor supera la tensión de 2/3 de fuente. El flip flop se resetea, el transistor se vuelve a cerrar y se descarga el capacitor, volviendo todo al estado original hasta que se vuelva a pulsar el disparo. Todo el circuito externo que requiere el temporizador es el capacitor C1, el resistor R2, un pulsador sobre la entrada de disparo y un resistor de pull-up sobre la entrada de disparo.

Figura 2 - Temporizador monoestable.

En cuanto a los valores de los componentes y la fórmula de cálculo del tiempo, podemos decir que T = 1,1 . R2 . C1 y que C1 debe ser mayor a 100pF. De cualquier modo, el laboratorio virtual WBM permite realizar el cálculo de nuestro temporizador en forma automática, lo cual nos exime de realizar la menor operación matemática.

sobre Build Circuit (construcción del circuito) y aparecerá el circuito dibujado en la pantalla listo para usar. Si Ud. coloca como valor de C un capacitor que no permite una solución posible, “Build circuit” aparece desactivado. Cambie el valor de C y vuelva a probar.

Como un ejemplo para practicar sobre el tema en la figura 2, diseñamos un temporizador de 1ms con disparo por pulsador e incluimos las formas de señal más importantes. Este circuito está directamente programado en el WBM, sólo hay que invocar toolsí555 time wizard y aparece una tabla como la indicada en la figura 3, en la que sólo hace falta colocar el tiempo deseado en la fila Output Pulse Width. En nuestro caso 1 ms y el WBM se encarga de encontrar la solución automáticamente indicando el valor de R. Simplemente pulse 36

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Figura 3 - Cálculo automático de un monoestable.

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EL MODULADOR PWM

Si desea obtener un oscilograma permanente con un generador como disparo puede reemplazar el pulsador por un generador de onda cuadrada, de por ejemplo 800Hz y obtendrá una forma de onda de salida rectangular, como la indicada en el circuito en la figura 5.

FUNCIONAMIENTO DEL LM555 COMO OSCILADOR ASTABLE

Figura 4 - Oscilograma del pulso de salida de 1 ms.

El terminal TRI corresponde al disparador del circuito (trigger) y cuando no se utiliza debe conectarse a masa con un capacitor de 10nF aproximadamente. El circuito no tiene un pulsador, sino un generador de onda cuadrada como excitación. De este modo, el circuito se engancha con el flanco descendente de la señal y genera una señal de salida con el período de actividad que nosotros indicamos, en tanto el mismo sea inferior al período de la señal de sincronismo. Si Ud quiere verificar el cálculo puede observar la forma de señal en la salida sobre la resistencia de carga de 100Ω que se indica en la figura 4.

La palabra astable puede asimilarse a oscilador. Puede entenderlo como un multivibrador monoestable que se redispara a sí mismo y que, por lo tanto, no necesita señal de excitación externa. En nuestro proyecto de modulador PWM, se requiere un oscilador para generar la señal de portadora y un monoestable controlado por tensión para modularla. Analicemos cómo funciona un astable que funcione en forma libre, porque desde ya le adelantamos que el 555 puede funcionar libre o enganchado con una señal de sincronismo (como el oscilador vertical de un TV). La configuración de un astable difiere de un monoestable sólo en un componente (un resistor) y en un puente entre patas. No hace falta ser muy despierto para imaginarse que si la tensión que carga al capacitor del monoestable se conecta al terminal de disparo, el circuito se realimenta y oscila. En la figura 6 se puede observar el circuito modificado.

Figura 5 - Modificación del período de actividad de una señal.

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El disparo ahora se produce con el terminal de umbral. Cuando se conecta la fuente de alimentación, el capacitor C1 está descargado, manteniendo el terminal de disparo bajo y reforzando de este modo el estado de carga libre de C1 a través de R2+R5.

Figura 6 - Circuito del oscilador astable.

Todo permanece en ese mismo estado de carga hasta que el capacitor llega a una tensión de 2/3 de la tensión de fuente, momento en que el terminal (-) de U1A pasa a estar por encima del terminal (+). En este momento la salida de U1A pasa al estado bajo, el flip flop se resetea y Q negado pasa al estado alto haciendo conducir a Q1, con lo cual comienza el ciclo de descarga del capacitor C1 a través del resistor agregado R5. Ud. puede suponer que en cuanto el capacitor se descargue levemente, se producirá nuevamente un cambio de estado del Flip Flop, pero realmente no es así, porque se trata de un Flip Flop RS y para que cambie de estado debe recibir alguna señal en SET. Eso no ocurre hasta que el capacitor se descargue hasta algo menos que 1/3 de la tensión de fuente, creando una oscilación a una frecuencia que depende de los valores de R2, R5 y C1 según la fórmula f = 1,49 / (R2 + 2.R5).C1.

Figura 7 - Modificación para lograr tiempos de actividad inferiores al 50%.

Seleccionando los valores de R2 y R5 se puede modificar el período de actividad del oscilador entre 50% y 99%. Teóricamente se puede demostrar que este oscilador no puede tener períodos de actividad menores al 50%, porque R5 debería ser menor que cero. Es decir, que el tiempo de carga debería ser menor que el tiempo de descarga, pero esto no es posible porque el tiempo de carga es C1. (R2+R5) y el tiempo de descarga es C1.(R5) y la suma de dos números nunca puede ser menor que uno de los números. Si se requiere que el tiempo de actividad varíe en un valor menor al 50% se debe completar el circuito con dos diodos colocados como lo indica la figura 7. Ahora los caminos de circulación de corriente son los siguientes. La carga de C1 se establece por R2 y D1. La corriente de descarga se produce por D2 y R5. El diodo D2 no es imprescindible pero el fun38

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cionamiento es más estable si se lo utiliza, porque en caso contrario, la corriente de carga también circula en parte por R5 debido a la caída de tensión en el diodo D1. Con el agregado de D2 la fórmula de la temporización es más exacta. Para calcular el período de oscilación se lo debe dividir en dos. El tiempo de carga T1 = 0,67 (R2.C1) y el tiempo de descarga T2 = 0,67 (R5.C1). Luego el tiempo total es Tt = T1 + T2 y la frecuencia de oscilación f = 1/Tt. Con esta modificación el tiempo de actividad se puede elegir entre 3 y 97%.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

A) La tensión de fuente puede variar entre 4,5 y 15V con un máximo absoluto en 16V. La temporiza-

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EL MODULADOR PWM

ción o la frecuencia no dependen de la tensión de fuente como lo indican las fórmulas. B) El ripple de fuente no debe ser necesariamente bajo, porque no modifica la temporización o la frecuencia libre, pero debe tenerse en cuenta que un ripple muy alto produce modulación de amplitud de la salida. C) Cuando el transistor de descarga maneja corrientes importantes y sobre todo, si esas corrientes tienen una duración muy corta, se requiere un capacitor o capacitores adecuados entre el terminal de fuente y masa. Inclusive debe tenerse en cuenta que sus terminales sean cortos y que el circuito impreso tenga pistas anchas y cortas. D) La resistencia de carga debe tener un valor comprendido entre 5kΩ y 5MΩ. Siempre que pueda elija un valor de 220kΩ y ajuste el tiempo cambiando el capacitor. El capacitor puede variar entre 100pF y 100µF. E) Recuerde que la estabilidad es función de la constante de tiempo del circuito y que los resistores comunes de carbón depositado (y los presets) tienen un corrimiento con la temperatura que se compensa con los capacitores de polyester metalizado. No use capacitores cerámicos disco, salvo que sean NP0. Si debe usar capacitores grandes, utilice capacitores de tantalio. F) Si el terminal de control no se utiliza, conécte-

lo a masa con un capacitor cerámico disco de .1µF para evitar la captación de señales espurias. USO DEL TERMINAL DE CONTROL Y EL RESET Cuando la pata 5 no se utiliza, el funcionamiento del circuito ocurre entre 1/3 y 2/3 (66%) de la tensión de fuente. El capacitor C1 tendrá esa variación de tensión sobre él. Pero el circuito puede funcionar con otros valores de tensión de control aplicados externamente. La tensión de control se puede variar entre un 40 y 90% de la tensión de fuente para obtener un cambio de temporización o una modulación de frecuencia de la salida. Cuando Ud. deba diseñar un oscilador astable de frecuencia libre, puede ajustar la frecuencia dentro del valor establecido por la constante de tiempo del circuito utilizando un preset y dos resistores fijos que varíen la tensión de la pata de control en un valor de, por ejemplo, un 10% si no requiere una gran variación de la frecuencia. El terminal de RESET (pata 4) puede ser utilizado como un terminal de habilitación del dispositivo. Con la pata de RESET a masa, el dispositivo no funciona y con la pata a fuente comienza a funcionar de inmediato.

MODULADOR POR ANCHO DE PULSO PWM Para esta operación se utilizan dos 555 o un 556 que tiene dos 555 en un mismo chip. Uno se utiliza

Figura 8 - Circuito del oscilador astable de portadora PWM.

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como un oscilador astable con un peFigura 9 - Circuito del monoestable de tiempo variable por “control”. ríodo de actividad muy corto oscilando a la frecuencia de portadora (en nuestro caso 100kHz). La salida de este astable se utiliza como señal de disparo del otro 555 conectado como multivibrador monoestable con ajuste de la temporización por el terminal de control. El temporizador se diseña para que tenga un tiempo tal que el corto período de actividad del astable se agranda hasta el 50%. La aplicación de una tensión en el terminal de control del temporizador modificará entonces el período de actividad entre los valores deseados. Es obvio que en nuestro caso la tensión de control es el audio analógico de entrada. En la figura 8 se puede observar el Realmente le aconsejamos al lector que realice circuito del oscilador de portadora y en la figura 9 el temporizador, ambos dibujados en un Workbench las simulaciones porque así entenderá perfectamente el funcionamiento del circuito. Multisim. Este circuito no requiere mayores comentarios ya que como sabemos lo tomamos directamente ya armado del Workbench, colocando una frecuencia de 100kHz y un período de actividad del 95%. Luego, todo lo que hicimos fue aproximar los valores de R1, R2 y C a valores estándar, porque no necesitamos ni una frecuencia, ni un tiempo de actividad muy precisos. La salida de este circuito (OUT) se conecta al circuito siguiente. Simulando este circuito, es muy fácil entender cómo se realiza la conversión de una señal analógica a una señal PWM. El resistor R3 y el capacitor C3 sólo se utilizaron como filtro de valor medio, en reemplazo del filtro LC que antecede al parlante de nuestro amplificador digital. Este filtro agregado nos permite comparar la señal de audio de entrada con la señal de salida PWM filtrada, para analizar la linealidad del circuito que realmente no se caracteriza por ser muy buena. Es decir que nuestro modulador introduce una distorsión importante que sólo se admite porque luego existirá una realimentación negativa que la compensa. 40

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Nosotros vamos a mostrar sólo unos oscilogramas del mismo, comenzando por el que corresponde al circuito de la figura 9 y que mostramos en la figura 10. Como el lector puede observar, hay tres diferencias fundamentales entre ambas señales.

Figura 10 - Oscilograma de comparativo de la señal de entrada con la de salida.

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En principio, una de las cosas más visibles es el ripple de portadora. En un filtro simple a RC no se puede hacer nada mejor que lo mostrado. El filtro real es LC y es bastante más efectivo pero, de cualquier modo, sobre el parlante queda un ripple considerable. Este ripple es de 100kHz, y por lo tanto no es audible, así que su importancia es muy relativa. El otro problema es un desfasaje considerable entre ambas señales (un atraso sobre la salida del filtro). Este desfasaje tampoco es audible, porque el oído humano no responde a la fase de las señales que lo excitan. Sin embargo, en este caso se debe considerar el desfasaje cuando se diseña el filtro de la realimentación negativa, ya que podrían producirse giros de fase espurios en alguna frecuencia que vuelvan inestable u oscilatorio al amplificador. El tercer problema es una distorsión armónica importante, debida a la alinealidad del modulador. Esta distorsión quedará tan reducida por la realimentación que dejará de tener importancia. De cualquier modo tenga en cuenta que la distorsión de un amplificador a transistores bipolares o mosfet es muy superior a la distorsión de nuestro modulador. EL CIRCUITO COMPLETO DEL MODULADOR

Ud. se preguntará ¿por qué no pusimos juntos los circuitos del oscilador y del temporizador de tiem-

pos variables? Porque a un simulador le resulta más simple simular un sólo bloque con un 555 que dos. Por otro lado, el diseño implica diseñar etapas sueltas, probarlas y luego unirlas. Es un modo de agotar la posibilidad de fallas, que ayuda mucho en el diseño. Pero después que está todo probado se debe dar el último paso, que consiste en integrar los circuitos. Y para que no haya repetición de números de posición con los circuitos de potencia ya vistos, a los del modulador lo numeramos a partir del 50. Ver la figura 11. Este circuito es completamente funcional en el Workbench y Ud. puede realizarle pruebas de respuesta en frecuencia, sensibilidad, distorsión armónica total, etc, con sólo agregarle en la salida un filtro PWM (un integrador) compuesto con un resistor de 1kΩ y un capacitor de 100nF (o quizás un filtro de segundo orden, diseñado por Ud. mismo para mejorar las características del filtro propuesto). Este circuito puede tener otras aplicaciones además de la indicada. Por ejemplo, realizar una transmisión óptica de audio, utilizando como carga un pick-up láser al que se le haya sacado la lente externa. La salida de nuestro dispositivo modulador PWM es de 15V y un pick-up requiere una corriente de unos 50mA. Eso significa que colocando un resistor en serie con el láser de 270Ω, lo podemos excitar a pleno. Como receptor puede utilizar los mismos fotodiodos del láser debidamente amplificados con un operacional. Es simplemente una idea que no fue probada, pero estamos seguros que alguno de nuestros lectores la va a realizar. No tenemos idea del alcance, así que esperamos que si alguien lo hace se comunique con nosotros. Nadie puede decir que es algo complicado construir el modulador PWM de nuestro amplificador digital y mucho menos decir que no le dimos suficientes datos para su fabricación. Mi idea es que entregarle al lector un proyecto tipo receta de cocina no sirve de mucho, y todo lo que se consigue es incrementar el flujo de “cartas al lector” con pregun-

Figura 11 - Circuito del modulador completo.

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tas que indican que no se entiende cómo funciona lo que está construyendo. Como complemento, daremos unos “tips” sobre numeración binaria y otros tipos de numeraciones no digitales, que le pedimos vaya estudiando con toda dedicación (considérelo como un peaje extraordinario). Ese conocimiento lo vamos a necesitar cuando estudiemos el parlante digital de bobinado multifilar y los bafles digitales, una vez que hayamos terminado el amplificador PWM y comencemos con los amplificadores y bocinas de ocho bits.

Al escuchar la palabra "digital", probablemente lo primero que llega a nuestra mente es "Computadora", "CD", "DVD", etc, y en los últimos tiempos “LCD” y “Plasma”. Debido al gran alcance que han tenido todo tipo de aparatos electrónicos, en este momento son muy pocas las áreas de la vida moderna que no cuenten con un sistema digital, ya sea de medición, comparación, operaciones aritméticas o diversión en todo tipo de dispositivos. Todo lo que siempre fue electrónico, pero analógico, hoy contiene una gran parte de circuitos digitales. En electrónica se trabaja con cargas eléctricas. Dentro de los circuitos analógicos hay tensiones y corrientes que se procesan para conseguir un fin determinado. En los circuitos digitales también se procesan tensiones y corrientes, pero las mismas representan números, y entonces los procesos de modificación de las señales son siempre soluciones matemáticas. A un integrado digital se debe ingresar con una tensión representativa de un número, o el mismo CI debe tener un conversor que transforme una señal analógica en un número que debe procesar para obtener otro, que posteriormente se puede transformar en una señal analógica en una pata de salida. LOS NUMEROS En casi todos los campos de la vida humana (por no decir todos), el concepto de "cantidades" es el más utilizado para definir, medir, contar, expresar o utilizar los conjuntos de cosas. Una vaca es una vaca, pe-

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Sí, así comenzó todo. Pero el concepto de número se creó en diferentes lugares del mundo al mismo tiempo y en la época en que las comunicaciones no existían prácticamente, razón por la cual existen distintos tipos de números. En la electrónica no tenemos vacas, pero tenemos electrones y podríamos decir que toda la ciencia electrónica se basa en procesar adecuadamente a grandes cantidades de electrones. Cuando necesitamos modificar esas cantidades de cargas, es primordial que podamos representarlas de manera exacta y sencilla, y por ese motivo nos valemos de dos formas de representación numérica de estas cantidades.

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ro cuando tengo muchas, necesito encontrar un modo simple de decir cuántas tengo y de poder sumar dos rebaños, para saber cuántas vacas tengo en total.

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• La representación Analógica. • La representación Digital. En la representación Analógica, los efectos físicos como la tensión y la corriente se presentan de manera continua (como cantidades) en adecuados indicadores visuales. El ejemplo clásico es un voltímetro analógico, el cual cuenta con una aguja medidora que se mueve sobre una escala de números. El movimiento de la aguja es proporcional a la tensión que se aplique a las puntas del voltímetro. La posición de esta aguja representa el valor de la tensión que se mide, y ésta sigue continuamente cualquier cambio que se presente en la misma, por más pequeño que sea, mientras sea perceptible. Las cantidades analógicas muestran una característica que hay que destacar: pueden variar gradualmente dentro de una línea continua de valores. El voltaje aplicado al voltímetro puede ser de cualquier valor comprendido entre 0 y 12 voltios, por ejemplo (suponiendo que ése fuera su fondo de escala), un valor como 1,25V ó 10,59V es perfectamente discernible en la escala. En el fondo, la tensión debería variar por saltos, porque un electrón tiene una carga determinada que no admite subdivisión alguna. Pero como esa carga es ínfima, parecería que la aguja se moviera suave y continuamente. En la representación digital estas mismas cantidades no se presentan con valores continuos. En cambio se presentan como símbolos, cuyo nombre depende del sistema numérico elegido.

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EL MODULADOR PWM LA REALIMENTACION NEGATIVA

¿No se cumple la ley de la máxima transferencia de energía que dice que la fuente debe tener una resistencia igual a la de carga para transferirle la máxima potencia a la bocina?

Los amplificadores de audio de gran potencia son quizás por su tamaño y peso uno de los últimos equipos que aún se fabrican en países de América de habla hispana. Figura 12

Pero un buen amplificador de audio requiere aplicar principios de electrónica que no siempre son bien entendidos por los profesionales del tema.

¿Para qué sirve la realimentación negativa en un amplificador analógico? No hay una razón única, sirve para muchas cosas no estarán pensando mis lectores, y de todas esas cosas la que seguramente es la respues será: para reducir la distorsión del amplificador. Desde ya ésa es una respuesta correcta, pero no me animo a decir que es la más importante aunque debo aclarar que un amplificador de audio sin realimentación negativa es espantosamente alineal; sobre todo si se trata de un amplificador a transistores bipolares. Mejorar la respuesta en frecuencia puede ser la segunda respuesta en importancia. Y también es una respuesta válida porque los transistores de potencia de audio no tienen, por principio, una buena respuesta en alta frecuencia. Estabilizar el amplificador en CC puede ser la tercer respuesta. Y no está mal porque en un amplificador analógico, si no hay realimentación negativa, es imposible que la tensión de salida se mantenga estable con la temperatura o con la tolerancia de los materiales (sobre todo el beta de los transistores). En efecto, si el amplificador es de una sola fuente positiva (por ejemplo 12V) la tensión de salida debe ser exactamente la mitad de la tensión de fuente (6V) y la estabilidad de esta tensión se consigue por la red de realimentación negativa. Y aquí comienzan a escasear las respuestas y comienzan los balbuceos, porque el factor más importante no es ninguno de los indicados. La respuesta más correcta es: para reducir la resistencia de salida del amplificador.

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No, en los amplificadores de audio no se cumple. La carga suele ser de 8, 4 ó 2Ω y los amplificadores de buena calidad suelen tener una resistencia interna de salida del orden de los 100 mOhms o menos aún. Y la baja resistencia de salida se consigue con realimentación negativa. Y si un amplificador para una bocina de 4Ω tiene una resistencia de salida de también 4Ω ¿qué pasa? Varias cosas. En principio tenemos poca potencia en el parlante o bocina. Es que en la tensión de salida del amplificador, que como caso extremo puede tener un valor de pico a pico igual, la resta de las tensiones de fuente (por ejemplo +12V y -12V darían 12 - (-12) = 12+12 = 24V) se reparten entre la resistencia de salida y la resistencia de la bocina y a la bocina sólo le llegan 12V de pap. Pero no es éste el único problema que presenta un amplificador con una resistencia de salida moderada. Existe un problema mucho mayor causado por la bocina.

CIRCUITO EQUIVALENTE MECANICO DE UNA BOCINA Una bocina es, de alguna manera, un péndulo elástico. Es decir un péndulo donde la atracción de la gravedad se reemplaza por dos resortes según la figura 12. El peso representa al cono y a la bobina móvil y los resortes a la suspensión elástica del cono. Este péndulo tiene una frecuencia de resonancia mecánica de modo que si lo sacamos de punto de equilibrio y luego lo soltamos no retornará al mismo en un rápido movimiento sino que llegará al punto de equilibrio y se pasará del mismo. Un instante después realizará el movimiento inverso pero también se pasará del punto de equilibrio aunque en menor medida. Y así con varias oscilaciones terminará llegando al

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punto de equilibrio. Si pretendo que el péndulo describa una onda senoidal de la misma frecuencia que su frecuencia de resonancia mecánica, no voy a tener problemas. Pero si intento hacerlo oscilar a una frecuencia distinta voy a necesitar realizar un esfuerzo con la mano para evitar que intente oscilar a su propia frecuencia de resonancia. En la bocina necesitaré manejar la bobina móvil desde una fuente de baja resistencia interna para evitar que haga su movimiento característico. Esto es como consecuencia de que la bobina móvil se transforma en un generador cuando quito rápidamente la excitación.

Figura 13 - Respuesta del parlante excitado con alta resistencia.

La bocina es, entonces, el equivalente a un circuito resonante LC pero mecánico, tal como puede observarse en la simulación de la figura 13. Por supuesto que en el ejemplo nosotros exageramos el problema para que sea visible en el osciloscopio. En un caso normal se debe medir la distorsión con un medidor adecuado pero le aseguro que la misma existe. Es evidente que si sacamos el resistor R1 y el generador tiene baja resistencia de salida, la señal que se observará en el osciloscopio es una señal rectangular perfecta. Como conclusión podemos asegurar que un amplificador de audio debe tener una resistencia interna por lo menos 10 veces menor que la impedancia de la bocina y los muy buenos amplificadores tienen una resistencia interna del orden de las 100 veces menos, es decir 40mOhm.

está bien diseñado. Y si su frecuencia de portadora es suficientemente alta y el filtro está bien diseñado no tiene problema de respuesta en altas frecuencias. Entonces la única razón por la que podría requerir realimentación negativa es la resistencia de salida y en muchos amplificadores PWM directamente se consigue la baja resistencia de salida con el filtro PWM y no se le agrega la menor realimentación negativa simplificando enormemente el circuito.

LA REALIMENTACION NEGATIVA Todos los amplificadores actuales poseen doble entrada, lo cual facilita la explicación de la realimen-

Estos valores sólo se pueden conseguir mediante realimentación negativa, así que en el apartado siguiente vamos cobrarle el peaje dándole una explicación teórica sobre la realimentación negativa. Un amplificador PWM es sumamente lineal cuando 44

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Figura 14 - Amplificador sin realimentación.

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EL MODULADOR PWM

Figura 15 - Amplificador inversor sin realimentación.

Figura 16 - Amplificador directo con realimentación del 10 %.

tación negativa. Precisamente un amplificador operacional tiene una entrada directa y otra inversora. De modo que colocando señal sobre la entrada directa, la misma se amplifica pero no invierte la fase y colocando la señal sobre la entrada inversora, se amplifica y además se invierte. Ver la figura 14. Observe que la salida es de unos 4 Vpap y no está perfectamente centrada a pesar de que tratamos de ajustarla con el corrimiento Offset del generador de señales. Como se puede observar, la amplificación es muy alta: 4V/500µV; es decir unas 10.000 veces aunque observamos que la salida no está perfectamente en fase con la entrada porque el amplificador ya está en la zona de corte de altas frecuencias (usamos un operacional común). Realizando la misma experiencia pero con inversión de las patas de entrada, se obtiene un oscilograma similar pero invertido. Ver la figura 15. Agregando una resistencia de carga variable y ajustándola a la mitad de tensión de salida (es decir 2V) se observa que la resistencia de salida del operacional es de 20Ω aproximadamente.

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Ahora vamos a conectar el amplificador con una realimentación desde la salida a la entrada con lo cual pretendemos varias cosas, como puede ser: estabilizar el valor de la ganancia y ajustarlo al valor deseado en tanto sea por lo menos 100 veces menor que la ganancia bruta obtenida hasta ahora. Incrementar el ancho de banda reproducido, de modo que el corte de frecuencia se produzca fuera de la banda audible. Reducir la resistencia de salida del amplificador para que pueda manejar a la bocina sin distorsión. Estabilizar el punto de trabajo de CC para que la bocina no tenga aplicada tensión continua. En la figura 16 se puede observar el amplificador realimentado con un divisor de 10 veces. Ahora la tensión que ingresa a la entrada en forma diferencial (entre el terminal + y el - ), para obtener los mismos 4V pap de salida debe ser mucho mayor para que sigan existiendo los mismos 500uV sobre ambos terminales ya que la salida de 4V se realimenta a la entrada como un 10% de 4V, es decir 400mV. Intuitivamente se puede observar que la entrada debe ser igual al valor realimentado 400mV + 500µV necesarios para obtener los 4V pap de salida. Por lo tanto en el terminal + ahora deben ingresar 400mV + 500µV = 400,5mV, es decir prácticamente 400mV. Por lo tanto, la ganancia con realimentación es casi igual a la inversa de la atenuación o sea 10 veces. Para no tener que realizar cálculos se puede llevar la entrada a 100mV y observar que la salida es de 1V. En el oscilograma se puede observar que una realimentación del 10% lleva la ganancia del amplificador a un valor de 10 veces aproximadamente y que ya no se produce el desfase que indica que el amplificador está cerca de la frecuencia de corte superior y lo que queríamos demostrar se hace muy claro, ya que con una carga de 10Ω la salida no se modifica e inclusive se la puede hacer menor aun (1Ω) sin que

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se produzcan problemas. La resistencia de salida se puede estimar como la resistencia de salida sin realimentación dividida por la ganancia, es decir 2Ω. En cuanto a la respuesta en frecuencia de la figura 17 se puede observar que la misma se mantiene en 10 veces hasta 20kHz aproximadamente y recién en unos 40kHz se atenúa al 70% La realimentación es un proceso fácil de implementar en los amplificadores analógicos y por lo tanto ninguno deja de tenerlo. Inclusive podemos asegurar que forma parte integral de un amplificador de modo que no hay opción de uso. Si un amplificador no tiene realimentación su componente continua de salida no es la correcta y entonces pueden ocurrir dos fallas de acuerdo al tipo de amplificador: A) Amplificadores viejos o que funcionan en un vehículo en donde sólo hay una fuente positiva de 12 o 24V. Estos amplificadores tienen una salida de la mitad de la tensión de fuente (6 ó 12V) y si esa tensión se corre a plena excitación, recortan los picos en forma dispareja generando armónicas muy audibles que limitan la potencia de salida porque obligan a bajar el volumen. Como la bocina está conectado a través de un capacitor no tiene problemas de circulación de corriente en reposo. Los amplificadores más modernos poseen una salida en puente que aumenta la potencia y evita el uso del capacitor. Pero un corrimiento desparejo del punto de reposo genera tensión continua sobre la bocina que lo puede dañar permanentemente.

Figura 17 - Curva de respuesta en frecuencia.

rriente por la bocina, esta corriente corre el punto de reposo del cono y produce distorsión. Si es suficientemente alta puede producir recalentamiento de la bobina móvil porque ingresa potencia eléctrica a la bocina y no sale potencia acústica. Los dos problemas implican que los amplificadores analógicos deben tener una protección contra el desbalance que corte la salida cuando la tensión en reposo sobre la bocina supera un determinado nivel.

LA REALIMENTACION NEGATIVA EN AMPLIFICADORES PWM En un amplificador PWM no es simple introducir una realimentación negativa. Tomemos los dos casos posibles: A) Un amplificador PWM en donde la señal in-

B) Amplificadores modernos con doble fuente positiva y negativa. La tensión de salida de estos amplificadores debe ser nula porque la bocina está conectado entre ese punto y masa. La inestabilidad de esa tensión de reposo hace circular co46

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Figura 18 - Generador PWM y filtro RC.

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gresa con formato digital. Por ejemplo los amplificadores de minidisc que directamente tienen una entrada óptica. En este caso hay dos posibilidades. Transformar la señal digital en analógica, agregarle la realimentación negativa y generar la señal PWM en un modulador analógico como el analizado en la entrega anterior. Pero el uso del filtro PWM genera un error de fase en la señal sobre la bocina que debe ser compensada en la realimentación, es decir que la señal de la bocina debe pasar por un filtro complementario del PWM y recién después restarse de la señal de entrada debidamente convertida en una señal analógica. Figura 19 - Parámetros del filtro.

B) Una señal de entrada con formato analógico. En este caso no se requiere conversión D/A pero valen los consideraciones anteriores con referencia a la fase de la señal realimentada desde la bocina.

¿Tiene sentido el uso de la realimentación? en un amplificador PWM? La respuesta debemos buscarla en los circuitos integrados PWM ya diseñados por la industria desde hace varios años. En los apartados siguientes vamos a mostrarle un generador PWM ultralineal muy sencillo que evita el uso de realimentación y luego un CI híbrido comercial que claramente nos demuestra que la realimentación no es imprescindible.

MODULADOR PWM ULTRALINEAL

Figura 20 - Oscilogramas del modulador PWM.

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La simplicidad de un modulador por comparador es realmente Espartana.

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Prácticamente no tiene circuito ni teoría que explicar. Basta con que el lector sepa que el valor medio de una señal rectangular se puede filtrar y obtener con filtros tan simples como un RC o un LC.

¿Qué filtro usar, depende de la carga? En la figura 18 se puede observar un caso particular de filtro PWM para una resistencia de carga de 50Ω.

Figura 21 - Curva de respuesta en frecuencia de amplificador y filtro PWM.

El circuito es experimental para todos aquellos que deseen realizar alguna experiencia práctica o virtual. El filtro se obtiene directamente desde el WB Multisim ingresando en la solapa “Tools í Filter Wizard” y seleccionando los parámetros que indicamos en la figura 19. Este circuito es un modulador PWM. En la pata (-) del comparador se ubica la señal a modular (en este caso un tono senoidal de 1kHz) de 1V de amplitud de pico montada sobre una continua que también es de 1V. En la pata (+) se ubica una señal triangular de 100kHz con una amplitud de 1V de pico también montada sobre una continua de 1V. Para entender el funcionamiento del modulador, lo ideal es simularlo y levantar los oscilogramas de las dos entradas con un tiempo (100µs/div por ejemplo) que permita observar la sinusoide de 1kHz completa sobre la pantalla (A). Luego detener la simulación, aumentar el tiempo de barrido horizontal del osciloscopio a 2µs/div y con el cursor de memoria observar la superposición de las dos señales cerca del punto de pasaje por cero de la sinusoide. Observe que las señales se cruzan formando dos semiciclos iguales (B). Posteriormente vaya al pico positivo de la senoide y observará un cruce que genera un semiciclo positivo corto y un semiciclo negativo largo (C). Y por último vaya al semiciclo negativo de la senoide y observará un semiciclo positivo largo y un semiciclo negativo corto (D). En la parte inferior (E) está el oscilograma de la salida por la pata 1 correspondiente a (C) y el (F) co48

DISEÑO

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GENERADOR

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Figura 22 - Comparación entre la señal de entrada (en rojo oscuro) y de salida (en verde claro).

rrespondiente a (D). Ver la figura 20. Por la pata 1, sale un oscilograma con forma PWM cuyo valor medio se corresponde con la señal modulante. Para comprobar este postulado completamos el circuito con un transistor repetidor para bajar la impedancia de salida del comparador y cargamos en su emisor nuestro filtro, cuya respuesta en frecuencia se observa en la figura 21. Lo más importante es comparar la señal del generador XFG2 con la tensión sobre el resistor de carga de 50Ω tratando de encontrar una distorsión importante. Ver la figura 22. Ud. dirá que hay una fuerte atenuación de la señal por lo que no se entiende su uso como amplificador. En principio vamos a aclarar que este circuito es sólo de demostración. El filtro que realmente debe

PULSOS

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EL MODULADOR PWM

utilizarse no necesita tanto rechazo de portadora. Pero para la demostración sí importa, porque en caso contrario no se puede apreciar la linealidad entrada salida y no se puede medir la distorsión. Para que el

lector observe la linealidad de nuestro modulador, en la figura 23 agregamos un medidor de distorsión armónica total que da un exiguo valor de distorsión menor al 1% y con un diseño muy simple. Ahora pasamos a analizar el tema de un filtro más realista que no tenga tanta pérdida de señal a las frecuencias de audio. Piense qué ocurriría si el rechazo de portadora es menor y nos quedan un par de voltios de señal de 100kHz. En principio el oído no podría escuchar tal frecuencia y además la bocina no sería capaz de reproducirla. Por esta razón y para aumentar el rendimiento se suelen utilizar filtros mucho menos elaborados pero que no tienen caída de tensión y son simples L en serie y C sobre la bocina. Ver la figura 24. En este caso, sobre la carga se presenta una señal con un ripple de 100kHz del orden de los 500mV pap sobre una señal de 1kHz de unos 8V pap. Ver la figura 25.

Figura 23 - Distorsión armónica total.

Figura 24 - Modulador con filtro de bajas pérdidas.

Figura 25 - Oscilograma del amplificador PWM con filtro simple.

ELECCION

DE LA

Las variaciones de amplitud de la portadora PWM se deben a la poca elaboración del transistor excitador. En esa posición se suelen utilizar etapas con transistores MOSFET de conmutación, llamadas Medio puente H y excitadores con push-pull de transistores bipolares complementarios tal como lo vimos en la entrega anterior. La idea es conseguir que la portadora modulada no cambie de amplitud porque eso genera distorsión, y que tenga una eficiencia de conmutación muy alta porque eso mejora el rendimiento.

CONFIGURACION ADECUADA

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AMPLIFICADORES

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AMPLIFICADORES PWM INTEGRADOS

Por las dudas que alguien piense que todo este tema de los amplificadores PWM es aun algo experimental, vamos a mostrarle que ya existen integrados de potencia basados en esta técnica que se utilizan sobre todo en los grabadores y reproductores de HDDVD que suelen traer 4 amplificadores de elevada potencia para generar sonido cuadrafónico. Un integrado muy utilizado para esta función es el TDA8924. No hay mucho para decir de este integrado. Solo que tiene dos canales porque es una unidad estereofónica de 2 x 120W a 24V de fuente en clase D de alta eficiencia (>90%) y que opera dentro de un rango amplio de tensiones (12 a 30V) de fuente. Requiere dos fuentes iguales de diferente polaridad Vddp1 y Vssp1 para el canal 1 y Vddp1 y Vssp1. Las salidas son por Out1 y Out2 y tiene entradas inversoras y no inversoras analógicas IN1+, IN1IN2+ y IN2-. El integrado tiene su propio oscilador de portadora que se ajusta con un resistor y un capacitor conectados sobre la pata 7. Estos componentes se ajustan a una frecuencia de aproximadamente

350kHz dado que este integrado utiliza llaves de potencia de gran velocidad para reducir al máximo posible el valor de los componentes de filtrado PWM. La pata 6 opera como modo de trabajo del integrado y es una entrada tristate que sirve para realizar el cambio de modo Off-ON-Mute. En Off corta la alimentación a las etapas de potencia y sirve para no tener que usar llaves externas de mucha potencia. En ON el equipo funciona normalmente y en Mute se lo utiliza para realizar cortes momentáneos de señal. En la figura 26 se puede observar el circuito de aplicación del integrado en donde se observa que puede conectarse tanto en el modo estéreo como en el modo puente monofónico en donde se duplica la potencia de salida. Observe que el inductor de filtro a estas frecuencias es de tan sólo 10 uHy en tanto que en el diseño del amplificador discreto era de 90µH. El valor del capacitor de filtro es de 15 nF contra 0.92µF del diseño discreto. Y todo a pesar de que la resistencia de carga es de 2 Ohms. Digamos que el resto de portadora sobre la bocina es superior al dejado en el modelo discreto pero la diferencia mayor es la mayor frecuencia de portadora que se utiliza en este caso. ☺ Figura 26 - Circuito de aplicación del TDA8920.

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La Fuente de Alimentación y Elección de las Bocinas E LA FUENTE

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s hora de concretar y volcar en un kit todo lo aprendido hasta ahora en nuestro curso de audio digital. Desde que comenzamos a escribir sobre este tema en Saber Electrónica he tenido un verdadero “revuelo” de correos electrónicos recibidos, que van desde la incredulidad hasta la adoración. A los incrédulos los convencemos pidiéndoles que lean el capítulo anterior donde dimos la información para construir un amplificador de 2x120W realizado con un circuito integrado muy pequeño y de bajo costo (al que le interese le indico que se lo puede conseguir por menos de 25 dólares). Los que quieran que concrete el proyecto porque están deseosos de construirlo les digo que ya llegó el momento. En este capítulo empezamos por la fuente, primer eslabón del proyecto. Y como queremos hacer un proyecto innovativo vamos a hacer un solo diseño que genera cuatro fuentes para amplificadores de 12, 24, 50 y 100W.

Comenzaremos a concretar varios proyectos juntos. Es decir vamos a aprovechar una característica de los amplificadores digitales que es su versatilidad. Ud. puede fabricar un amplificador de 10W o de 100W cambiando muy pocas cosas y entonces el proyecto se presta para hacer un amplificador flexible en donde el lector elija a su gusto.

INTRODUCCION Si me preguntan, aseguro que el 90% de los lectores elige armar un amplificador de 100W. No se apure, la elección debe ser mesurada porque depende de varias cosas. Entre otras, la más importante es el bolsillo, una víscera muy sensible del ser humano que a diferencia de lo que dicen los manuales médicos es quien controla el funcionamiento de todo el ser humano. Otra es el espacio disponible. No es lo mismo poner el equipo de audio en una habitación de 3x3 metros que en un salón de 4x9. Y otro es la música de su preferencia. No es igual usarlo para música clási-

ca que tiene una gran cantidad de pianísimos y fortísimos, que utilizarlo para jaz, rock o música cuartera (que por lo general es la más llena). En principio vamos a indicar que nuestro proyecto se divide en 4 partes: 1) Fuente, 2) Amplificador de potencia PWM, 3) Modulador ultralineal y control de volumen y 4) Control de tono. Cada sección tendrá su propia plaqueta de circuito impreso y cuando sea posible su propio conector. Este tipo de distribución es muy práctico porque to-

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AMPLIFICADORES

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y mueven la bobina. Pero el campo en el núcleo no puede ser absolutamente constante; de hecho se reduce arriba y abajo y eso hace que el desplazamiento de la bobina no siga una ley lineal y se produzca distorsión.

dos los amplificadores actuales son estereofónicos es decir que Ud. tendrá siempre la posibilidad de intercambiar plaquetas para facilitar la reparación de su equipo.

LA ELECCION DE LAS BOCINAS ¿La potencia de una bocina está relacionada con su tamaño?

Figura 1 - Igual presión sonora con diferente tamaño de parlante

Por supuesto que sí, pero no es una relación directa. La energía acústica sale de la bocina en forma de presión sonora. La bocina es como un cilindro de auto sin tapa de cilindro; si el motor es moderno suele tener un cilindro de mucho diámetro y poco recorrido y si es antiguo poco diámetro y mucho recorrido. Ver la figura 1.

Cuando compre su bocina no elija un modelo pequeño de poco diámetro para potencias altas, salvo que sea una bocina especial para automóviles o para TV en donde el tamaño debe ser pequeño forzosamente. Vea la tabla 1.

El rendimiento de la bocina depende sobre todo del imán y del circuito magnético. A mayor potencia del imán y menor reluctancia del circuito magnético mayor es el rendimiento de la bocina. Con respecto a la reluctancia todo es un problema de precisión me-

Una bocina de tamaño grande tiene poco recorrido del cono y puede trabajar con mayor fidelidad porque toma la parte más lineal de las características del circuito magnético. Un cono de menos diámetro está mucho más comprometido porque el cono debe moverse una distancia mayor y eso lo hace mas alineal y además somete a una mayor degradación a los alambres cola de ratón que unen la bobina móvil con los terminales. El lector debe considerar que la potencia indicada en la bocina no es la potencia de salida sino la potencia de entrada. Es como evaluar un coche en función del consumo de combustible y no de su potencia mecánica. Lo importante es el rendimiento junto con la potencia que puede tomar la bocina. Sí, la bocina toma 100W de potencia eléctrica pero sólo saca 10 de potencia mecánica. Los 90W de diferencia deben ser disipados por la bobina móvil que está encerrada en el entrehierro. Ver figura 2. El cono se mueve porque los campos magnéticos en el núcleo del imán y la bobina interactúan entre sí

Figura 2 - Construcción de un parlante

Tabla 1 - Tamaño de bocinas en pulgadas. 52

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cánica y aprovechamiento de la zona del entrehierro. Cuando menor es el entrehierro menor es la reluctancia y mayor es el campo magnético en el circuito. Pero hay menos espacio para que se desplace la bobina móvil y cualquier error de armado hace que la bobina roce. Además, si hay poco espacio no se puede poner una alambre suficientemente grueso y la bocina no da la resistencia correcta de 8, 4 o 2 Ohm. Inclusive alguno fabricantes recurren al uso de alambre de sección cuadrada (o casi cuadrada porque los ángulos están redondeados) para poder llenar el entrehierro de cobre y lograr la máxima eficiencia.

¿Se puede medir la eficiencia o rendimiento de una bocina y la respuesta en frecuencia? Se puede, pero es necesario tener micrófonos calibrados y una cámara anecoica (sin ecos). Como esta medición está fuera del alcance de un aficionado se la suele reemplazar por algo muy simple: Comparar una bocina con otro, conmutándolos con una llave mecánica. Por supuesto ambas bocinas se deben montar en un panel de madera de dimensiones unas 8 veces mayor que el diámetro de la bocina o parlante (se lo llama plano infinito). Y se debe escuchar en un recinto bien amplio o al aire libre. La medición comparativa se hace entre dos personas, a 1kHz; una cambia de parlante (bocina) y la otra indica qué bocina es la mejor. ¿Existen muchas diferencias en el rendimiento de una bocina? Mi consejo es que compre con los ojos cerrados y los oídos abiertos. Hay muchas bocinas de marcas ignotas que tienen una pinta impresionante pero que son casi mudos. Su imán (que es por mucho el componente más costoso) es una miseria, pero está tan bien disimulado con arandelas de hierro anodizado negro, que parece enorme. Los venden como de 50W pero yo los probé a esa potencia con 1kHz y la bobina se quemó a los 3 minutos. Pensé que la primer ley de la termodinámica no era un invento Chino. Si la potencia eléctrica entra, pero no sale potencia acústica, significa que la bobina genera calor y se quema. Y si no me cree tome una bocina con el cono roto termine de romperlo; saque la bobina móvil conéctela a

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un amplificador de 20W (no hace falta más) y verá qué lindo humo se genera.

¿Qué diseño elijo para mis bocinas? Depende de la potencia del amplificador y, evidentemente, también depende del costo. Por las investigaciones realizadas con bocinas locales de buena calidad el costo de una bocina se puede estimar en 0,5 dólares por W. En efecto, una bocina de 10W cuesta unos 5 dólares y una bocina de 100W unos 50 dólares. Ud. debe comprar dos y construir dos bafles que pueden costar medio parlante. Por lo tanto piense en tres bocinas como costo final. En 10W es un costo de 15 dólares y en 100W un costo de 150 dólares. A continuación vamos a hablar de la fuente que es el otro componente caro de un amplificador y fíjese que al amplificador en sí mismo lo dejamos para el final porque es lo más barato de todo.

¿Algo más a tener en cuenta? Aunque su víscera del pantalón le diga qué puede gastar 150 dólares, piense en el recinto donde va a usar el amplificador y qué música le gusta. Si Ud. pone 100 +100W de música cuartetera en un recinto de 3 x 3 metros se le van a aflojar los ladrillos. Necesita por lo menos un recinto de 4 x 8 y le va a sobrar potencia. Ahora si Ud. es un diletante de música clásica el problema es diferente. La música clásica posee pianísimos en donde sólo se escucha un ejecutante a lo lejos y de pronto ataca toda la orquesta en un fortísimo. Esto requiere que el sistema tenga un rango dinámico muy grande y sin la más mínima distorsión por lo que el amplificador no se pone jamás al máximo porque después de la potencia mitad la distorsión comienza a aumentar proporcionalmente. En este caso debe usar un amplificador de 100 + 100W con una bocina en una caja acústica infinita para no deformar los bajos.

LA FUENTE DE ALIMENTACION POR MODULOS Una fuente de alimentación clásica tiene un costo altamente dependiente del transformador de poder.

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Si el diseño usa un transformador fabricado en serie tiene un costo bajo. Si el transformador hay que mandar a fabricarlo especialmente el costo se puede triplicar. Por eso es preferible realizar un diseño celular y sumar fuentes para obtener un costo menor (y la posibilidad de armar el equipo en forma inmediata y no esperar el bobinado del transformador). Un módulo de tensión muy adecuado es 16V por la sencilla razón que es la tensión a la que se fabrican la gran mayoría de los capacitores electrolíticos. Y este componente es el que le sigue en precio al transformador. El amplificador más chico de nuestra serie sería entonces alimentado por +16V y -16V conseguidos por intermedio de un transformador de 12V + 12V x 1,5A. ¿Qué potencia se puede obtener de esta fuente?. Si los diodos fueran ideales sin barrera y el transformador no tiene caída de tensión, se obtendrían 16V de salida. Pero los diodos de fuente 1N4004 tienen una caída de tensión de fuente de 0,8V a 1,5A y el bobinado secundario pierde unos 0,2V a esa corriente. Por lo tanto no espere más que 15V y como mínimo puede esperar 14V, esto significa que la potencia máxima sería de 12,75W con 8 Ohm de carga. Con 4 Ohm se debe utilizar un transformador de 3A y diodos 1N5404 (de 4A). En este caso la potencia es 2 veces mayor es decir 24W aproximadamente. Para mayor potencia simplemente se utilizan dos fuentes en serie generando una tensión de +32V y -32V nominales o 28 reales. La potencia que se puede obtener es de 50W aproximadamente con una corriente de 2,5A es decir que se utilizan transforma54

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Figura 3 - Fuente por módulos.

dores de 3A. Cuando se utiliza una bocina de 4 Ohm la potencia es de 100W y se usan transformadores de 6A. En la figura 3 mostramos el circuito correspondiente a la fuente armada con cuatro módulos. Este fuente se arma siempre sobre la misma plaqueta dejando libre las posiciones de los componentes que no se usan. Por ejemplo las fuentes de -15V +15V se arman con 2 transformadores de 12 +12 x 1,5A si se trabajan a 8 Ohm y con transformadores de 3A si se trabajan a 4 Ohm. Las fuentes de -30V +30V se arman con 4 transformadores de 12 +12 x 3A si se trabaja con 8 Ohm y con transformadores de 5A si se trabajan a 4 Ohm. En la tabla 2 se puede observar cómo cambian los valores de los componentes en función de la potencia de salida.

Tabla 2 - Lista de materiales genérica.

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Figura 4 - Simulación en LW del circuito de fuente

Este tipo de disposición de fuente posee un característica muy deseable en los equipos de audio actuales; al usar 4 transformadores, la altura del amplificador es mucho menor (prácticamente la 4ta. parte) que si usáramos un solo transformador, lo que favorece el diseño estético que actualmente busca equipos chatos. También resulta muy interesante como diseño de gabinetes para rack en donde usa menos altura. O sea que es un diseño que cumple con las condiciones de las 3 B. Bueno, bonito y barato. En este momento solo queda por diseñar el circuito impreso de la fuente que será realizado en LW (Live Wire) por su facilidad de utilización. Y como un buen audiófilo se la pasa probando amplificadores vamos a explicar como se diseña un buen impreso.

DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO Para estar seguro de que un circuito no tiene errores, antes de fabricar el circuito impreso hay que hacer algunas transformaciones y simularlo pa-

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Figura 5 - Circuito listo para diseñar el impreso

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ra analizar su funcionamiento. En principio el LW no une las pistas que están conectadas al símbolo de masa. Esto significa que hay que intercablear todas las masas. Luego hay que sacar del circuito todos los componentes que no se montarán sobre la plaqueta (por ejemplo los transformadores) y reemplazarlos por un conector aunque luego soldaremos los cables de los transformadores a la plaqueta). En la figura 4 se puede observar el circuito modificado para simularlo en LW y diseñar su impreso.

usar capacitores de 6800µF (es un ripple de aproximadamente 12%). Pero piense que ese consumo sólo se produce cuando el amplificador está generando 100W de señal. Es decir que el recinto no es lo que podríamos decir silencioso. El porcentaje de ripple es

Observe que la fuente está probada con un consumo de 2A, lo que significa una potencia de 60V x 2A = 120W. Esto implica que el amplificador puede tener un rendimiento del 80%. En el gráfico de las tensiones de salida se observa que el ripple no es precisamente bajo a pesar de

Figura 7 - Preparado para ubicar los componentes.

Figura 8 - Ubicación de los componentes con las pistas de goma. 56

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Figura 6 - Diseño automático del circuito impreso.

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pueden aceptar como el tamaño de las pistas. Si bien se pueden setear un nuevo tamaño de pista y volver a pedir diseño automático nosotros preferimos realizar un diseño guiado que se puede observar en la figura 7. En este caso el PCB Wizard realiza una serie de preguntas y termina en una imagen como la de la figura 7. Observe que los componentes están fuera de la plaqueta, unidos por líneas verdes que se llaman conexiones de goma porque se estiran y se retuercen a voluntad. Ahora basta con picar sobre cada componente y situarlo en el lugar deseado evitando los cruces de pistas girando los mismos para que queden igual que en el circuito eléctrico. Ver la figura 8 . AhoFigura 9 - Diseño con ubicación ra se debe pedir TOOLS AUTOmanual de componentes. RRUTE y el sistema diseña el impreso automáticamente luego de realizar algunas preguntas sobre el ancho de la pistas y la separación mínima. Observe la figura 9. Este ya podría ser un diseño utilizable realizado en un tiempo mínimo. Pero nosotros modificamos el dibujo realizando pista muy gruesas y cambiamos los electrolíticos por radiales que son los mas adecuados para alto ripple. El resultado de nuestro trabajo se puede observar en la figuFigura 10 - Diseño terminado de la ra 10.

algo que no se puede elegir sin hacer algunas pruebas prácticas. Los transformadores fueron reemplazados con fuentes de tensión para facilitar la simulación y hacerla más precisa. Si quiere realizar su propia simulación recuerde que debe predisponer la base de tiempos a mano porque la misma no tiene ajuste automático. Pique en TOOLS í SIMULATION í TIMING CONTROL y ajuste el “time base” en 1mS. Ahora hay que despojar al circuito de todas las fuentes, cargas e instrumentos para comenzar el diseño del impreso. Ver la figura 5. En este dibujo eléctrico no tiene importancia el tamaño de los componentes pero cuando el circuito eléctrico se transforme en un impreso, el tamaño es fundamental. Por lo tanto se debe picar sobre cada componente por ejemplo los C y darles el tamaño mayor posible. Pique con el botón de la derecha seleccione “convert ass” y luego el componente deseado. El PCB Wizard se invoca desde el LW y puede realizar el diseño del circuito impreso en forma automática sin ayuda del usuario. Pero es prácticamente imposible que un programa pueda ubicar los componentes precisamente donde nosotros lo deseamos. Por eso el PCB Wizard al salir del LW pregunta si Ud. desea realiza un diseño controlado, en donde la ubicación de los componentes la realizar el usuario en forma manual. Si uno le contesta que desea el diseño automático el circuito directamente lo realiza apareciendo algo como lo de la figura 6. Como vemos el resultado es bastante aceptable porque el PCB Wizard se basa en el dibujo del circuito para ubicar los componentes. Pero hay cosas que no se

plaqueta fuente.

Una infografía de esta plaqueta se puede observar en la figura 11. En la figura 12 se puede observar como se conecta esta plaqueta para realizar una prueba con carga resistiva.

Figura 11 - Infografía de la placa terminada.

DEFINICION

DE LA

En la figura se dibujó el caso de la fuente de mayor potencia (120W). En este caso el resistor de carga debe ser una combinación serie o paralelo de resistores de 25W que puedan soportar la potencia puesta en juego. Por ejemplo 5 resistores de alambre

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de 6 Ohms 25W en serie. Los transformadores son los indicados en la tabla. PRUEBA DE LA FUENTE Esta fuente de alimentación tiene parámetros muy fáciles de probar y otros no tanto. El parámetro más importante es la regulación que se mide con un simple multímetro digital. Ud. debe preparar primero la resistencia de carga adecuada para la fuente que acaba de armar y que se muestra en la tabla 3 calculaFigura 12 - Cableado de la fuente con carga resistiva de prueba. da para el 20% más que la potencia del amplificador. Es decir P x 1,2 = Pf a saber en su versión de audio, que el autor cede a todo aquel que la solicite a su correo electrónico. Es una sonda 12W í 14,4W R = Vf2/Pf desde audio a 10GHz que complementa el multímeAdemás del resistor indicado arriba se debe tener tro digital. un resistor de 470 Ohms 1W para realizar la prueba En nuestro equipo el ripple debe ser del orden del de baja carga. Este resistor simula el consumo de las señales del preamplificador y el driver. La medición 12% de la tensión de fuente. Si el ripple es muy alto consiste en cargar el amplificador con la resistencia la única solución posible es aumentar el valor del cade 470 Ohms y medir las fuentes positiva y negativa pacitor de filtro. que corresponde al modelo de fuente elegido. No se En síntesis, la fuente es como el cimiento de un olvide de elegir las patas adecuadas del puerto de sa- edificio: si no está bien diseñada todo lo demás no lida de fuentes. Las dos externas para 50 y 100W y importa. Y además el transformador de fuente es calas dos internas para 12 y 24W. ro y hay que hacerlo fabricar especialmente. En este El valor de tensión medido debe ser aproximadamente +15, +30 y -15, -30V. Luego conecte el resistor de la tabla 3 y vuelva a medir la tensión de salida. La diferencia debe ser menor a 1V a 15V y de 2V a 30V. Esto significa que la regulación es de 1/15 = 0,066 o 6,6% o de 2/30 que es el mismo valor. Si la regulación es menor pueden ocurrir varias cosas. Los transformadores son de mala calidad, los diodos no manejan la corriente adecuada o el capacitor de filtro es pequeño. Un capacitor de filtro pequeño genera zumbido de fuente. Si Ud. tiene osciloscopio colóquelo sobre el electrolítico de salida positivo y mida el ripple; luego haga lo mismo con el de salida negativa. Si no tiene osciloscopio use la sonda medidora de RF 58

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capítulo encontramos la solución de este problema utilizando varios transformadores genéricos que por mucho son más baratos que los fabricados especialmente. Es probable que el impreso de fuente deba ser modificado para adaptar sus electrolíticos o cambiarle el tamaño para que pueda entrar en su gabinete. Intenté explicarles cómo usar el dibujador de impresos más intuitivo del mundo. Creo que yo aprendí a usarlo en 5 minutos y me gusta por su sencillez adecuada para el trabajo del hobbysta, por eso se lo recomiendo. ☺

Tabla 3 Resistores de carga para probar las fuentes.

DEL

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Agregando Protecciones al Amplificador PWM S AGREGANDO PROTECCIONES

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AMPLIFICADOR

i Ud. es de los lectores que va “armando” en la medida que lee este libro, entonces ya ha construído la fuente de alimentación y estaba esperando a este capítulo para construir su amplificador digital, pues ya estamos cerca del diseño final.

Ahora bien, si diseñamos 4 fuentes Ud. podrá suponer que vamos a diseñar igual número de amplificadores. Se equivoca, una de las características de los amplificadores PWM es su versatilidad. Los MOSFET digitales que utilizamos son tan baratos que no tiene sentido usar diferentes tipos. El diseño está realizado para el amplificador de mayor potencia y el de menor potencia trabaja más tranquilo que agua de pozo. Le sobra tanto paño que se convierte en el sueño del audiófilo: un amplificador imposible de quemar. Esta entrega es para concretar la construcción del amplificador PWM discreto. El diseño realizado hasta ahora fue el básico, sin protecciones y sin disipador. Debemos completarlo antes de realizar el circuito impreso. Y si tenemos lugar tal vez tratemos también el diseño del circuito impreso del amplificador integrado.

LAS PROTECCIONES EN EL AMPLIFICADOR

Para los lectores que recién empiezan a leer la serie vamos a repetir el circuito del amplificador PWM discreto genérico de 12 a 100W que se puede observar en la figura 1. Antes de dar por terminado el circuito se requiere agregarle un importante complemento que es una protección contra cortocircuito. En principio digamos que no hay mejor protección que una etapa de salida que soporte una corriente lo más grande posible. Dentro de la gama de MOSFET existentes en el mercado podríamos haber elegido alguno de menor corriente pero elegimos el de mayor corriente con en-

SISTEMAS

DE

capsulado común por un problema de protección intrínseca. El IRF540 puede soportar 32A de pico y el IRF9540 18A. Como la salida del circuito se encuentra después de L1 es improbable que se superen dichos valores de corriente en un cortocircuito sobre la línea del parlante. Por supuesto que si el cortocircuito se mantiene por mucho tiempo los transistores se queman por sobrecalentamiento aunque sea muy difícil calcular cuál es la potencia que se disipa sobre cada MOSFET debido a que las fuentes van a reducir su tensión de salida porque la corriente está mucho más arriba que la de regulación. En la práctica un simple fusible de cable colocado sobre la salida de la fuente negativa y positiva es ya una excelente protección contra cortocircuito y

SEGURIDAD

EN EL

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Figura 1 - Circuito genérico del amplificador PWM.

casi nos animamos a decir que no se requiere nada más.

la decisión de dejar al circuito sin fusibles electrónicos.

Sin embargo, un amplificador moderno debe soportar un cortocircuito sin necesidad de tener que cambiarle el fusible cada vez que la línea del parlante se pone en cortocircuito. Se impone el uso de un fusible electrónico pero dejamos librado al armador

Para diseñar un fusible electrónico lo primero es saber en qué corriente debe cortar. Y en nuestro caso tenemos un solo amplificador pero con dos tensiones de fuente y dos resistencias diferentes de parlantes. Es decir que vamos a tener cuatro circuitos de fusible

Figura 2 - Consumo de pico por el transistor inferior para 32V y 4 Ohm. 60

LA SECCION

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CORTE

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AGREGANDO PROTECCIONES

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Figura 3 - Consumo de pico por el transistor superior para 32V y 4 Ohm.

electrónico diferentes. A saber: para fuente de +32 y -32V y para fuente de +16 y - 16V con 4 y con 8 Ohm. El valor que más nos interesa es la corriente de pico máximo por Q1 y por Q2 que ocurre cuando el período de actividad de la PWM es de 99% y 1% respectivamente medido según el circuito de las figuras 2 y 3. Como se puede observar, en el peor caso la corriente por Q1 es de 8,1A para un tiempo de actividad de 99%. El caso opuesto se puede observar en la figura 3. En promedio podemos tomar un valor de 8A de pico. En la tabla de la figura 4 se pueden observar los valores para las otros casos obtenidos también por una simulación.

R = 0,6 / I adoptada = 50 mΩ para 32V 4Ω; R = 100mΩ para 32V 8Ω y 16V 4Ω R = 120mΩ para 16V 8Ω. En cuanto al valor de potencia debemos realizar alguna aclaración. El valor de corriente adoptado es un valor de pico. El valor eficaz se debe calcular para una PWM promedio musical muy difícil de simular en este momento en que todavía no tenemos conectado el modulador PWM. Por eso vamos a adoptar 10 resistores de 0,47 Ohms 1/8 de W para el peor caso y posteriormente lo confirmaremos. De cualquier modo el valor del resistor sensor es el elemento de ajuste del sistema y el técnico deberá realizar muchas pruebas antes de elegir el valor definitivo.

CALCULO DE LOS RESISTORES SENSORES DE SOBRECORRIENTE CIRCUITOS DE LOS FUSIBLES ELECTRONICOS Aunque aún no conocemos el circuito del fusible electrónico ya podemos calcular el valor de los resistores sensores porque la tensión sobre ellos debe generar una caída de 600mV. Por lo tanto:

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Vamos a considerar que cuando se cortocircuita la carga, la misma se comporta como un resistor de 0,5 ó 1Ω ya que es muy difícil que el contacto precario de dos conductores tenga un valor de resistencia

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menor. Así podemos analizar que toda la corriente de la fuente positiva de 32V o de 16V pasa por el resistor sensor, el transistor superior y va a masa por el choque y el cortocircuito. En total podemos realizar una estimaFigura 4 - Tabla de corrientes de pico de fuente. ción de 1Ω lo cual significa que circulan 32A en el peor caso. En conclusión re- consumo llega a valores insignificantes demostrando comendamos la utilización de fusibles electrónicos que sólo hay que sensar el consumo de fuente y opecuando se usen 32V y 4 Ohm de parlante. El circui- rar una llave que corte la excitación. to es metaestable cuando se realiza un corto sobre el En el proyecto definitivo el oscilador de portadoparlante debido a la ausencia de realimentación ne- ra se fabrica con un 555 y como sabemos el mismo gativa. cuenta con un terminal de encendido. Es decir que En la figura 5 podemos observar al transistor superior sin excitación y cargado con un parlante de 0,5 Ohms. Observe que la corriente que circula no alcanza ni para quemar un BC848. En efecto, la compuerta queda conectada a fuente y esto implica que el transistor está cortado. Recién cuando la excitación genere en el gate un pulso inferior a masa, Q2 conducirá a pleno. Lo mismo ocurre con el transistor inferior que podemos observar dibujado en la figura 6. Observe que cambiamos la ubicación de los materiales para que el circuito parezca más entendible al ser observado. De este modo el terminal positivo de la batería queda conectado al drenaje del transistor pero éste no puede conducir porque el gate está conectado al terminal de fuente por el resistor R7. La corriente que circula por el circuito es la de fuga del MOSFET que este caso es de 32µA. A priori podemos asegurar que si se corta la excitación en presencia de un cortocircuito en la salida los transistores quedan perfectamente protegidos como se puede observar en la figura 7. Un amplificador PWM bien diseñado tiene una ventaja intrínseca con respecto a un amplificador push-pull. Para proteger los transistores MOSFET de potencia basta con cortar la excitación que es un corte en una zona de baja energía. En la figura vemos qué ocurre con una carga en semi cortocircuito. El amplificador se excita con la llave J1 abierta y observa que el consumo sobre la fuente V2 supera los 9 amperes. Si en ese momento se corta la excitación, el 62

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sólo debemos prever un transistor que opere dicho terminal. En la figura 8 el modulador PWM está reemplazado por un generador de funciones y una llave controlada por tensión.

Figura 5 - Corto sobre la salida con transistor superior sin excitación.

Figura 6 - Transistor inferior en cortocircuito sin excitación.

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AGREGANDO PROTECCIONES

Figura 7 - Protección por corte de la excitación.

Nos queda por explicar el circuito PWM completo con su protección por sobrecorriente. Los resistores sensores de sobrecorriente se pueden ubicar en el lugar más conveniente del circuito. Por ejemplo R6 conviene colocarlo en el retorno a masa de la fuente

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de 32V con un capacitor electrolítico C5 en paralelo. Como se trata de una fuente negativa el capacitor electrolítico se conecta con su terminal negativo a masa. Sobre C5 existe, por lo tanto, una tensión continua proporcional a la corriente consumida de la fuente. Cuando la tensión sobre él, supere los 700mV conduce el transistor Q6 y opera la protección mediante todo el tiempo que dure la sobrecarga. R8 es un resistor separador que evita que se queme la base de Q6 cada vez que se produce una protección. En efecto, la baja impedancia de la tensión de alimentación de base de Q6 es muy capaz de hacer circular una corriente muy elevada por la misma si no se agrega el resistor separador que la limita.

Figura 8 - Amplificador PWM con protecciones. Nota: este circuito es sólo el ejemplo de uno de los amplificadores, recuerde que de acuerdo a la potencia se debe alterar el valor del parlante las tensiones de fuente y los resistores R6 y R2.

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C6 es un segundo filtrado de la tensión continua de base de Q6 que garantiza que el mismo opere como una llave sin generar ripple sobre el colector. El resistor sensor de la fuente positiva no está colocado sobre el retorno sino sobre el positivo de la fuente de 32V. De este modo, cuando se produce un pulso de sobrecorriente se genera una tensión positiva sobre la base con respecto al emisor que se encuentra conectado a la fuente positiva para que la juntura de colector de Q5 quede polarizada como corresponde en inversa. La red sensora R2, R11 y C12 cumple las mismas funciones que la anterior. El colector se envía con un resistor R10 de 10kΩ a la base del transistor llave de corte para que este interrumpa la generación del oscilador de portadora y de ese modo se interrumpa la excitación del driver y la salida. De esta forma, terminamos de explicar el funcionamiento completo del amplificador de audio PWM, al cual le faltaba la sección más importante que es la sección de protección de sobrecorriente. Primero aclaramos el tema de la metaestabilidad de los amplificadores PWM que les permite funcionar en muchos casos sin ninguna protección o simplemente protegidos con un fusible. Una de las cosas más complejas de los equipos de audio es conseguir que no se quemen cuando el usuario descuidado pone un cable de

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parlante en cortocircuito. Después de tantos años de uso de las etapas push-pull los ingenieros de diseño se dieron cuenta que unos de los problemas de las protecciones se encuentra en la realimentación negativa que tienen todos los amplificadores analógicos. Dicha realimentación se toma desde la salida del amplificador y cuando ocurre un cortocircuito el equipo se queda sin realimentación negativa y oscila quemando a los transistores de salida, driver etc. Como el amplificador PWM no necesita realimentación no presenta este problema y por lo tanto posee un funcionamiento intrínsecamente estable. Esto, sumado al hecho de la elevada corriente que soporta un MOSFET y su baja resistencia interna nos permiten realizar amplificadores durables y de elevado rendimiento. Y por último, la bocina está siempre conectada a los transistores por un choque cuya inductancia evita que los MOSFET que trabajan con pulsos de 100kHz o más entreguen una corriente de cortocircuito. A la suma entregan la corriente que deje pasar el inductor. Ahora nos falta diseñar el circuito impreso de este amplificador con un laboratorio virtual Live Wire y su programa de diseño de circuitos impresos PCB Wizard. ☺

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Diseño del Circuito Impreso del Amplificador Digital P DISEÑO

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ara diseñar un circuito impreso hay que utilizar una mezcla de ciencia y arte. Lamentablemente los pocos libros dedicados al diseño de circuitos impresos que existen en el mundo son simples manuales de uso de programas de diseño de impresos.

¿El diseño tiene que ser prolijo? Sí, por supuesto, pero no es el único requisito. El requisito más importante es que sea funcional y si debemos sacrificar algo de la elegancia del diseño en función de la funcionalidad no dude en realizar el sacrificio. Los programas de diseño de impresos ya son lo suficientemente avanzados como para generar el circuito impreso a partir del circuito eléctrico. Hay programas muy avanzados pero que siempre requieren decisiones del usuario. Por ejemplo, todos los circuitos impresos suelen tener un conector de entrada, otro de salida y un determinado lugar donde deben ser colocados. El programa no puede saber dónde ubicar los conectores y qué tamaño y forma darle a la plaqueta. Para mi gusto personal lo mejor es un diseño asistido. Dejarle hacer al programa una buena parte del trabajo pero reservarme la toma de decisiones sobre dónde ubicar cada componente y sobre todo darle las dimensiones a la plaqueta y la ubicación de los conectores de entrada y salida. Posteriormente, y sobre todo si se trata de una plaqueta que maneja potencias importantes, se deben revisar el ancho de las pistas de tierra y fuente.

INTRODUCCIÓN

¿Qué programa vamos a usar para diseñar nuestro circuito impreso? Programas hay muchos. El WB Multisim tiene su programa de diseño de circuitos impresos muy completo pero muy poco intuitivo y difícil de usar. Para

nuestros proyectos preferimos usar un programa muy básico pero de lo más intuitivo: el Live Wire y su programa de diseño de circuitos impresos el PCB Wizard. Y además es el único programa que como producto terminado entrega prácticamente una fotografía en colores de la plaqueta armada y todos los layout que Ud. se pueda imaginar. La mayoría de los fabricantes de circuitos impre-

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sos tienen el PCB Wizard en sus PCs con lo cual Ud. no necesita moverse de su laboratorio para encargar la plaqueta.

copia láser del circuito impreso en papel ilustración y una plancha para ropa para transferir el dibujo y el clásico percloruro férrico para revelar las pistas.

Sólo debe enviar el archivo y retirar las muestras. Pero antes le recomendamos que construya su prototipo en forma casera. Unicamente necesita una foto-

Para el perforado le vamos a explicar cómo hacer un taladro mignon con un motor viejo de CD o DVD y una mecha de 1 mm.

Figura 1 - Circuito preparado para el diseño del impreso en el programa de simulación. 66

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Figura 2 - Circuito eléctrico final del amplificador PWM.

EL DIBUJO DEL CIRCUITO ELECTRICO PREPARADO PARA EL IMPRESO Una cosa es un circuito eléctrico para simular y otra muy diferente es el mismo circuito preparado para diseñar el circuito impreso. Lo primero a considerar es que las conexiones de tierra y de fuente no pueden estar realizadas por el símbolo de tierra o fuentes sino que deben estar unidas por conexiones. Si Ud. no lo hace así el simulador no sabe cómo intercalar las tierras. Es decir que puede conectar las tierras en cualquier lado siendo que realmente las tierras tienen un lugar perfectamente determinado donde deben ser conectadas. Vamos a redibujar nuestro circuito del amplificador PWM uniendo las tierras por cables de un modo adecuado. Ver la figura 1. La preparación de este circuito se realiza analizando las tierras las fuentes y observando la ubicación de componentes para evitar que se crucen las pistas. Por ejemplo R10 está cruzando las conexiones del choque y del parlante pero eso no tiene ninguna

importancia porque lo hace por los cables posteriores a la bornera. El único salteo que debe realizar es sobre el conductor de tierra y allí se ubicará el cuerpo de resistor. Luego la tierra debe llegar hasta el emisor de Q6 y lo hace por debajo de R14. Tenemos tres cruces debajo de CN2 pero los mismos son conexiones a la fuente y no molestan. Y por último la conexión de tierra del conector de entrada que está previsto que pase por debajo de R16. A pesar de todas estas vueltas, este circuito es perfectamente funcional y es aconsejable realizar la simulación correspondiente para estar seguro de no diseñar el circuito impreso sobre un circuito eléctrico equivocado. Al tener el circuito funcionando se debe realizar un análisis de circulación de corrientes con el mismo cursor del LW. En efecto, cuando la simulación opera (pulsando F9), debajo del cursor se observa la tensión del cable con respecto a tierra y la corriente que pasa por el mismo. En nuestro caso se debe colocar un generador de funciones sobre la entrada con una onda rectangular a una frecuencia de 100kHz y una

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tensión de 5V y ajustar el tiempo de actividad en un 20% para hacer funcionar al MOSFET superior. Luego se pasará el tiempo de actividad a 80% para hacer funcionar el MOSFET inferior. El LW no tiene ajuste automático de la base de tiempo de trabajo, por eso se la debe ajustar a mano entre 1S y 1µS. En nuestro caso usamos la mayor velocidad posible que es 1µS. Pulse TOOLS, SIMULATIONS, TIMING CONTROL y en la ventana inferior seleccione 1uS. Luego pulse F9 y la simulación comenzará a correr. El LW no tiene pantalla de osciloscopio así que deberá picar sobre el osciloscopio y colocarle los ejes correctos a un gráfico V/t. Observe que la corriente del MOSFET superior viene de la fuente +32, pasa por los resistores sensores y alimenta al terminal de fuente de Q2 luego sigue por el cable al inductor, lo atraviesa y vuelve a entrar a la bornera donde se deriva a tierra por los capacitores y por el parlante formando un lazo corto que debe construirse con pistas bien anchas. Por afuera de la plaqueta la corriente vuelve a la fuente por el cable de tierra de la fuente positiva.

inferior del circuito y llega hasta la entrada por la pata superior de CN4. Para pasar al programa de diseño de circuitos impresos debemos sacar los instrumentos utilizados para la simulación, las fuentes de alimentación, el parlante y el choque de filtro. Sólo debemos dejar los componentes que se colocan sobre la plaqueta de circuito impreso, de esta manera nos quedará el circuito final del amplificador, mostrado en la figura 2. Estando sobre este circuito debe minimizar el LW y correr el PCB Wizard luego volver a abrir el LW y hacer TOOLS>CONVERT>DESING TO PRINTED CIRCUIT BOARD. Apareceran una serie de pantallas que nos permiten indicarle al PCB Wizard cómo queremos operar. La primera está predispuesta por

Figura 3 - Primer pantalla de Wizard

La corriente por el MOSFET inferior viene de la fuente de -32V directamente a Q1 y de allí a la salida recorriendo el mismo camino que antes llega al terminal de tierra del parlante de allí a los resistores sensores y al terminal positivo de la fuente de 32V. Otro camino corto que deberá reforzarse. En realidad, el conector CN3 debería tener un bloque para cada cable de tierra de los tres parlantes del bafle, cosa que vamos a corregir antes de pasar al dibujo del impreso. Los tres bloques de tierra se conectarán entre sí. El siguiente camino, pero ahora de corriente media es el de los transistores TIP. Este no tiene mayores problemas porque ingresa por la fuente positiva y sale por la negativa atravesando los transistores. La tierra se continúa por la parte 68

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Figura 4 - Acomodamiento parcial.

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Ellas nos permiten trasladar el material sin perder la conexión a otros materiales. Lo primero que se aconseja es estimar el tamaño de los materiales y la plaqueta. A simple vista se aprecia que la plaqueta es demasiado grande y que conviene modificarla. Mi experienFigura 5 - Preprototipo Layout. Figura 6 - Preprototipo vista real. cia me indica que un ancho igual al defecto en diseño automático. Nosotros vamos a predel grupo de materiales y una altura igual a la mitad disponerla en la opción inferior para realizar el disepuede ser una buena elección. Y ahora lo primero es ño manual, pero le aconsejamos que pruebe el diseubicar las borneras. Picar arrastrar, pegar y girar coño automático para comparar luego los resultados. mo en cualquier dibujador, es el trabajo que Ud. dePulsamos next y aparece una pantalla que nos in- be realizar. En este caso buscamos desenredar las tidica si deseamos dejar la dimensiones por defecto o ras de gomas para que no se crucen. En la figura 4 le elegir nuevas dimensiones de la plaqueta. Optamos mostramos un trabajo parcial. por elegir y estimamos unas medidas de 200 x 200 Por ejemplo, CN1 está bien colocado porque la mm para comenzar. Luego estas medidas pueden ser pata izquierda está dirigida a Q3 como lo indica el cambiadas a medida que avanza el diseño. Pulsamos circuito de la figura 2. En cambio CN2 está invertinext, aparece la lista de materiales del proyecto. Aquí podemos elegir el tamaño de algunos componentes do porque la pata de Q4 está a la derecha. Procedehaciendo doble click sobre ellos para que nos presen- mos a girarla y así con todos las otras borneras siemte las opciones. En nuestro caso vamos a cambiar los pre tomando el ejemplo del circuito preparado. A resistores sensores de corriente por otros de mayor continuación debemos orientar los transistores tamaño y los capacitores cerámicos disco asignados MOSFET y bipolares. Los MOSFET se orientan con a los capacitores de filtro por otro de poliéster. Tam- las conexiones a fuente (sólo que el superior se cobién elegimos un encapsulado TO220 para los MOS- necta a través de los resistores sensores que convieFET. La siguiente pantalla pregunta si el circuito ne subir en bloque) y los bipolares poniendo las bacontiene alguna fuente invisible para circuitos digita- ses hacia la entrada (pegue C7 y R16 para orientarles; como éste no es el caso seguimos adelante con la se). Y un ratito después puede tener un circuito impreso casi definitivo como el que le mostramos en la siguiente pantalla. figura 5 y 6 y que tiene unas dimensiones de unos 11 La misma pregunta si deseamos que el programa x 12 cm y, aunque parezca increíble está prácticasitúe automáticamente los componentes, luego de los mente vacío. cambios realizados. Le sacamos la selección por defecto en la pregunta superior y seguimos ya en la pantalla final; aprobamos todos las selecciones pulEL TRAZADO DE LAS PISTAS sando en convert. Abrimos el PCB Wizard y en él tenemos la plaqueta y todos los materiales debajo del Si Ud. siguió todas nuestras indicaciones puede borde inferior, unidos con lo que se llaman tiras de dejar que el programa realice el trabajo mas arduo gomas dibujadas en verde. Ver la figura 3. que es el trazado de la pistas. Esto se realiza ingre-

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sando a la solapa TOLL>AUTORUTE>ROUTE ALL NET, entonces aparece un cuadro de diálogo que pregunta si desea realizar pistas diagonales, si acepta puentes con cables (en caso de ser necesarios) y si acepta plaqueta de doble faz. Yo saqué todas las selecciones y en la solapa de ancho de pista puse pistas de 0,60” (1,52 mm) de ancho y que trabaje sobre una grilla de 0,1” (2,5 mm) de picht. Estos datos dependen del tipo de dispositivo que Ud. vaya a diseñar. En este caso no tiene sentido hacer pistas finas cuando la plaqueta tiene fines demostrativos y tiene que ser lo más robusta posible. Además nuestros MOSFET van a requerir un considerable disipador y no tiene sentido hacer una plaqueta mas pequeña. Cuando se trabaja industrialmente se cuida el tamaño de la plaqueta con una gran dedicación debido a su elevado costo. En la figura 7 podemos observar el diseño realizado automáticamente por el autoruter del programa en sólo 2 segundos. Seguramente si lo miramos con un gran detalle vamos a encontrar muchos puntos donde un humano lo hubiera resuelto mejor. Pero seguramente que no lo habría hecho en 2 segundos. De cualquier modo el Wizard no es celoso y nos permite retocar todo lo que deseemos hasta lograr el circuito impreso que para nosotros sea perfecto. Lo que no podemos negar es que la grafica tipo fotografía que mostramos en la figura 8 es implecablemente buena y hasta tiene pintadas las bandas de los resistores. Podemos decir que la base de nuestra plaqueta ya está diseñada pero debemos corregir algunos detalles y realizar el diagrama de conexionado que por otro lado es muy simple. Para corregir podemos enumerar los detalles: 1) Poner marca y modelo de plaqueta impresa en el cobre y en la impresión. 2) Correr los textos para que queden en lugar visible 3) Agregar agujeros de anclaje 4) Agrandar la tierra 5) Prever otros tamaños de capacitores de filtro y electrolíticos 6) Agregar lugar para el numero de serie 7) Revisar probables lugares donde las pistas estén peligrosamente cercanas. 8) Agregar el nombre de las conexiones externas. 70

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Figura 7 - Circuito impreso resuelto automáticamente por el PCB Wizard

Figura 8 - Infografia de la plaqueta con su impreso de fondo

En la figura 9 se puede observar la plaqueta modificada con las pistas corregidas y las tierras agrandadas. En este sentido el programa no puede ser más intuitivo. Si Ud. pica sobre una pista la misma se vuelve marrón y significa que está editada para su modificación. Si pica dos veces sobre ella, le apare-

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montaje) entre en la solapa INSERT>PICTURE y seleccione el ícono. En la figura 10 se puede observar la infografía correspondiente. EL DISIPADOR TERMICO

¿Se calientan los MOSFET?

Figura 9 - Layout definitivo.

Figura 10 - Infografia definitiva.

ce un cuadro de diálogo en donde le preguntan qué ancho de pista desea. Si pica una vez, puede mover toda la pista en el sentido que desee. Si pica en una punta, puede estirarla o contraerla. Si desea dibujar una nueva pista ingrese en el ícono correspondiente. Pique donde quiere comenzar, lleve el cursor en donde quiere terminar y suéltelo allí. Para correr los textos de componentes pique arrastre y suelte. Y para generar dibujos (por ejemplo las perforaciones de

No hay dispositivo con rendimiento unitario. Los MOSFET transforman energía continua de fuente en alterna para la carga LRC. Y esa transferencia se realiza con un rendimiento elevado cercano al 90% pero nunca del 100%. Teóricamente si los MOSFET fueran infinitamente rápidos, con resistencia interna nula cuando están conduciendo, e infinita cuando están abiertos, la etapa tendría un rendimiento del 100%. Pero esos MOSFET no existen; nosotros usamos los más rápidos que se consiguen en América hispanoparlante pero alguna perdida tienen. Si son de buena procedencia pueden perder el 10% de lo que transfieren. Recuerde que nuestro amplificador más chico es de 12W y el más potente es de 100W. Esto implica que el más pequeño disipará 0,6W por cada MOSFET y no requerirá disipador. El mas grande disipará unos 5W por cada MOSFET y con una lámina de aluminio de unos 5 cm de altura que tome ambos transistores podrá disipar la potencia requerida. El diseño esta preparado para que esta lámina pase pegada sobre cada chapa de montaje de cada MOSFET que incluso tienen agujeros extras para sus patas para que el disipador no quede inclinado. Por lo tanto monte los MOSFET en el disipador y luego elija los agujeros para sus patas, montando el disipador armado. Ver la figura 11. Es muy difícil calcular la resistencia térmica de un disipador porque todo depende del entorno del mismo. Si un disipador está rodeado de materiales, el aire no toca toda su superficie y el mismo pierde efectividad. Lo mismo ocurre si no está vertical porque se forman remolinos. Otra cosa importante es que el disipador tenga una buena entrada de aire por su parte inferior; observe que nosotros realizamos 6 agujeros para que entre aire fresco por ellos. Pero esos agujeros no van a tener ningún efecto si la plaqueta está apoyada sobre un piso

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de cualquier material. El diseño requiere una luz de 2 cm entre la plaqueta y el piso. Todo eso significa que el disipador se debe diseñar por prueba y error haciendo funcionar el amplificador a plena potencia y midiendo la temperatura sobre el disipador del lado contrario al chip del MOSFET con una termocupla para multímetro digital. Recuerde que la vida de un MOSFET depende de la temperatura final e inicial de su chip, inclusive si el chip está muy lejos de la temperatura de fusión. En efecto, aunque el chip esté a 100ºC existe una dilatación al encendido y una contracción al apagado que va despegando el chip del disipador con cada ciclo de frío calor, hasta que finalmente lo desprende.

ARMADO, CONEXIONADO Y PRUEBA Realmente la información grabada en la plaqueta y todo lo explicado hasta ahora nos exime de realizar mayores comentarios sobre el armado. Nuestra plaqueta está preparada para contener todos los componentes salvo el choque de filtro, el parlante, las fuen-

Figura 11 - Disipador montado en la plaqueta.

tes de alimentación y el modulador PWM que completaremos en la próxima entrega. En el momento actual Ud. sólo podrá probar el amplificador con nuestro generador de portadora realizado con un 555, un oscilocopio (o la sonda de audio que puede bajar gratis de www.picerno.com). Pero por ahora considera-

Figura 12 - Cableado final. 72

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mos que tiene suficiente trabajo y que ya podemos indicarle cómo conectar el amplificador y las fuentes que ya le enseñamos a construir en la entrega anterior. Nuestro amplificador tiene 4 conectores del tipo bornera que son los más adecuados para el trabajo en audio. Sólo necesitamos cablear las borneras con cables de 1 o de 1,5 mm2 de sección para las borneras CN1, CN2 y CN3. La bornera de entrada CN4 puede ser cableada con cable de 0,5 o 0,75 mm2. En la figura 12 se puede observar el cableado definitivo. Nota 1: Las dos conexiones de tierra que quedan libres en CN3 son para el tweeter y el reproductor de medios Nota 2: La fuente debe tener tierras separadas para la sección positiva y negativa porque en caso contrario falta protección de fuente negativa. Como la fuente diseñada hace dos entregas tenía las tierras unidas, entregamos un nuevo circuito impreso para la misma. De esta manera cumplimos brindándole lo más moderno en amplificadores de audio, los amplificadores digitales tipo PWM que, a no dudarlo van a reemplazar a todos los amplificadores de bajo rendimiento que se utilizaron hasta el día de hoy. Y si cree que no es así curiosee por las secciones de audio de los LCD, PLASMA u Homes y trate de encontrar un amplificador clásico. Ya no existen, no tiene lógica usar un amplificador que consume más, se rompe más frecuentemente, queman los parlantes y tienen la potencia máxima limitada porque ya no se pueden refrigerar más. Y los PWM son sólo la punta del ovillo; atrás vienen los parlantes digitales y los conjuntos digitales de parlantes que llegan a producir la conversión A/D en el mismo oído del usuario. Luego sólo queda el casquete digital de la ciencia ficción que se transformó en ciencia real, porque ya existen sordos que utilizan modelos experimentales. Del receptor (o medio de almacenamiento) al cerebro. Esto es posible hoy, nosotros queremos darle la primicia y queremos que experimente del modo mas económico posible.

Figura 13 - Circuito de fuente con tierras separadas.

Le vamos a dar todos los datos como para que Ud. use restos de equipos (se acuerda con qué construimos el inductor de filtro) pero para los que lo deseen vamos a tener disponible en poco tiempo varios kits para armar amplificadores escalables (puede empezar por el más modesto e ir agregándole piezas hasta llegar a los de mayor potencia) amplificadores para el automóvil de esos que se escuchan de lejos y le prometemos introducirnos en el mundo de los bafles y los parlantes digitales. Que el mundo sea verde depende de todos nosotros. Si hoy se cambiaran todos los amplificadores clásicos por amplificadores digitales sobraría energía. El autor está recabando datos sobre la energía desperdiciada en los equipos electrónicos con la intención de escribir sobre la tecnología verde. ¿No sabe lo que es la tecnología verde? No se preocupe, es un tema tabú porque los intereses puestos en juego son muy grandes, pero nosotros los vamos a develar científicamente como para que todos lo comprendan y obliguen a las empresas a diseñar productos que cuiden el medio ambiente. Sin embargo, Saber Electrónica está siempre del lado de los lectores y por ello el tomo anterior de la Colección Club Saber Electrónica fue dedicado justamente a la electrónica de las energías verdes.

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DISEÑO DEL GENERADOR DE PORTADORA Y DEL MODULADOR

Nuestro generador de portadora funciona en 100kHz como ya lo habíamos adelantado. No es que no se pueda usar otra frecuencia pero todo es una decisión que debe ser sabia y equilibrada. A una frecuencia, mayor los MOSFET pueden tener una velocidad de conmutación comparable con el período de la portadora y generar pérdidas de rendimiento. A una frecuencia menor, el filtro es más difícil de hacer y se requiere un núcleo mas grande y un alambre más grueso para el inductor y los capacitores deben soportar una mayor corriente. En este mismo curso describimos un amplificador integrado que funcionaba a 250kHz de portadora y los hay que funcionan a 500kHz y si no llegan mas arriba es porque ya entramos en la banda de OM (onda media de 530 a 1650kHz) y las interferencias pueden ser imposible de evitar. En realidad, son imposibles de evitar, y entonces se copia la solución de los grabadores de audio que usaban una portadora de premagnetización que producía interferencias en AM. Se agrega una llavecita que cambia un 2% la frecuencia de portadora para pasar la interferencia a otra emisora. En la figura 14 se puede observar el circuito de un astable con posibilidad de ajuste por arriba y por debajo del 50% de tiempo de actividad cambiando resistores. Observe que la numeración de los componentes del generador de portadora va del 10 al 20 para diferenciarlos de los componentes del amplificador de potencia y los del modulador del 20 al 30. La carga se produce por R11, D11 y C11 hasta que los terminales 2 y 6 unidos reconocen que debe terminar la carga y comenzar la descarga que se realiza por D12 y R12 y el transistor interno de descarga, conectado sobre la pata 7. Cuando los terminales 2 y 6 unidos reconocen que debe terminar la descarga vuelven a comenzar un nuevo ciclo de carga y así sucesivamente. Como la carga se rea74

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liza por R11 y la descarga por R12 el circuito permite ajustar independientemente el período de actividad y de inactividad del generador (si fuera necesario) modificando dichos valores. Por supuesto que la frecuencia cambiará levemente, pero eso no tiene ninguna importancia en nuestro caso porque da lo mismo 100kHz que 95 ó 105. En la pata 3 se obtiene una señal cuadrada perfecta de 12V pico a pico sobre una resistencia de salida de 100 Ohm (R13). Con esta señal debemos generar un diente de sierra sobre C13 de una amplitud pico a pico de 500mV cargándolo y descargándolo por medio de R18. Sobre C13 se obtiene un valor medio que no puede ser otro que la mitad de la tensión de fuente, ya que C13 se carga la mitad del tiempo desde 12V y se descarga a tierra la otra mitad del tiempo. En la figura 15 se puede observar el oscilograma sobre C13 abajo comparado con la pata 3 del 555. El 555 es el único dispositivo de la cadena que

Figura 15 - Oscilograma sobre C13.

Figura 14 - Astable con ajuste del período de actividad hacia ambos lados.

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ficador de salida se queda sin excitación y se protege. Por lo tanto para hacer funcionar a la etapa se debe realizar un puente entre la fuente de 12V y la entrada de protección.

Figura 16 - Salida en diente de sierra con valor medio nulo de 600mVpap.

trabaja con una fuente única de 12V y la tensión media de 6V sobre C13 no es adecuada para la siguiente etapa que funciona con fuente partida de +12V y 12V. Por eso el circuito termina con un repetidor de tensión Q11 para bajar la impedancia de salida de la etapa y un capacitor de acoplamiento C14 referido a tierra por R10. Sobre R10 se obtiene un oscilograma con forma de diente de sierra con valor medio nulo gracias al desacoplamiento producido por C14. En la figura 16 se puede observar el oscilograma de salida comparado con la pata 3 del 555. Recuerde que este circuito tiene una entrada de protección que es la pata 4 (reset). Cuando esta pata está a potencial bajo, la portadora se corta y el ampli-

La versión definitiva del modulador ultralineal acoplado al generador de portadora se puede observar en la figura 17. vemos que es un circuito muy simple que nos permite entender el proceso de la modulación con absoluta sencillez, aunque de mas está decir, que si el lector trabaja realmente con la simulación va a lograr una comprensión mucho más profunda del tema. Repasemos el funcionamiento usando el generador de funciones XFG2 como fuente de CC. En la pata inversora se coloca la portadora diente de sierra, que es una señal como la indicada en la figura 16 es decir un diente de sierra con un valor mínimo de -300mV y un máximo de 300mV. Si ponemos una tensión continua en XFG2 de 0V, la pata + tendrá una tensión de 0V y cada vez que la portadora pase por cero hacia arriba se producirá un flanco ascendente de la salida. Cuando pase por cero descendiendo se producirá un flanco descendente. Así se genera una salida con forma cuadrada y los dos transistores del semipuente de MOSFET no generaran ninguna resultante sobre el parlante. Si ponemos una tensión continua de 150mV la señal PWM de salida queda con un período de actividad largo y el semipuente genera una tensión continua positiva

Figura 17 - Circuito del modulador adecuado para diseñar el circuito impreso.

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Figura 18 - Lay-aut del modulador PWM.

sobre el parlante porque el MOSFET superior conduce más tiempo que el inferior. Si ponemos una tensión continua de entrada de -150mV, la PWM de salida tendrá un tiempo de actividad corto y el semipuente generará una tensión negativa sobre el parlante porque el MOSFET superior trabaja más tiempo que el inferior. Si coloca una forma de onda compleja como música o voz humana, el modulador modulará el tiempo de actividad en forma tal que sobre el parlante podrá recuperar el valor medio de la salida del semipuente, que es una copia fiel del audio de entrada. Si Ud. mide el valor pico a pico de la salida del semipuente verá que no varía cualquiera sea la señal de modulación que se coloque en tanto no sobrepase el 100% de modulación que es cuando los semiperíodos se cortan por completo. A diferencia de un amplificador analógico el recorte por sobremodulación es un corte neto, es decir que la tensión de fuente se aprovecha por completo y la distorsión no aumenta gradualmente a medida que nos acercamos al punto de recorte. La distorsión se mantiene hasta el final en el valor nominal del amplificador. 76

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Figura 19 - Infografía de la placa del modulador PWM

EL CIRCUITO EN LIVE WIRE PREPARADO PARA DISEÑAR EL CIRCUITO IMPRESO

Como se puede observar existe una conexión prácticamente imposible de no entrecruzar que es la que lleva la protección a la pata 4, así que se la deja cruzada y posteriormente se tratará de resolver lo mejor posible con el diseño de las pistas. Como esta plaqueta se utiliza al lado de la de potencia, se le da al PCB W un tamaño de plaqueta con la misma altura (122 mm) y en principio 120 mm de largo que seguramente luego serán reducidos. Todos los capacitores de desacople serán cerámicos porque no tiene importancia la variación de la capacidad con la temperatura. En donde sí importa, para que no fluctúe la frecuencia, es en el capacitor de relajación C11 y en el capacitor formador del diente de sierra C13 para evitar que cambie la amplitud con la temperatura. El regulador negativo de 12V 79L12 tiene una disposición de patas totalmente diferente a la de su hermano, el 78L12. La conexión de tierra no está en el centro sino en uno de los extremos.

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El potenciómetro de volumen no tiene lugar sobre la plaqueta porque, como es obvio, debe ir instalado sobre el frente. Use un potenciómetro logarítmico de 1kΩ o de 10kΩ con su extremo vivo conectado a la fuente de señal de entrada y el otro a tierra y el cursor conectado a CN22. En la figura 18 podemos ver un lay-out visto del lado de materiales y en la figura 19 la vista en el mundo real.

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PRUEBA DEL MODULADOR Para probar al modulador se requiere un dispositivo de entrada y otro de salida. Todo depende de lo que tenga Ud. en su taller. Si tiene un generador de audio y un osciloscopio puede realizar la prueba tal como lo indicamos a continuación. 1) Conecte un puente entre la entrada y tierra. 2) Conecte el osciloscopio sobre el resistor R10 y tierra y sobre la salida del 555. 3) Observe que la señal sea similar a la de la figura 20.

Figura 20 - Comprobación del funcionamiento del generador de portadora.

Nota: son importantes tanto las amplitudes como los tiempos, sobre todo los tiempos comparados de la rampa creciente y la decreciente. Si existiera una diferencia mayor al 2% se deben reajustar los valores de R12. La medición está prevista para efectuar una reparación en caso de necesidad. Si falla la salida del 555 controle todos los componentes relacionados. Si la salida es buena pero no hay señal sobre R10, mida las tensiones continuas sobre el transistor Q11 que deben ser de 6V en la base, 5,4V en el emisor y 12V en el colector. Si las tensiones continuas están bien, mida los componentes relacionados al transistor. Si en la base tiene una señal rectangular alta, C13 está abierto.

Figura 21 - Medición del comparador y la forma de portadora de salida.

4) Conecte el osciloscopio sobre la salida (pata 1 del LM393) debe observar un oscilograma como el de la figura 21.

Figura 22 - Medición de entrada de CC para el período de actividad mínimo.

Nota: Observe que el LM393 tiene dificultades para llegar a la tensión de saturación de -16V. Eso no tiene mayor importancia porque la salida es suficiente para modular perfec-

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tamente a la siguiente etapa que es el excitador a transistores. 5) Ahora vamos a comprobar las características de modulación a CC. Coloque como señal de entrada un potenciómetro y dos resistores conectados a los +12V y -12V como se indica en la figura 22. Reduzca la tensión de entrada hasta que el pulso se haga muy corto, de modo que un poco más de tensión lo corte completamente. Mida la tensión de entrada (en nuestro caso -263mV). A continuación se modifica la señal de entrada para medir el período de actividad máximo. Aumente la tensión de entrada hasta que el pulso se haga tan ancho que un poco más de tensión lo corta. En nuestro caso +286mV. Ver la figura 23. Cuanto más cercanas son las tensiones en valor absoluto, más lineal es el sistema. Las pruebas realizadas en la realidad dieron un resultado mejor que la simulación, ya que las tensiones fueron prácticamente iguales. En caso de necesidad se puede dejar el agregado del preset y los resistores fijos para realizar un ajuste perfecto de los limites de modulación llevando R4 a 10kΩ e ingresando a la misma pata 3 del LM393 con el audio mediante un resistor de 1kΩ. 6) Ahora sólo queda la prueba dinámica realizada con un generador de audio con una señal de 1kHz 200 mV de pico. Se observará que la portadora modulada varía su tiempo de actividad prácticamente de mínimo a máximo. En la figura 24 dejamos colocados el sistema con el preset que se ajusta del siguiente modo. Lleve el generador a 350mV de pico. El modulador se saturará haciendo que se produzcan cortes de la señal de salida. Sin el sistema de ajuste los cortes pueden ser algo diferentes. Con el sistema de ajuste se los puede ajustar para que tengan el mismo ancho. Realmente el autor considera que el sistema de ajuste es una sofisticación innecesaria.

Figura 23 - Medición de la tensión que genera el período de actividad máximo.

obtener gratuitamente de www.picerno.com y que tiene varias versiones de acuerdo a la frecuencia de trabajo. Puede llegar desde 10Hz a 10GHz. Arme la versión de audio. Como señal de audio debe usar un disco de prueba con tonos de audio que posea una señal de 1kHz. Y para detectar señales moduladas en PWM deberá usar una punta especial que pasamos a describir. Se trata de armar un amplificador con dos comparadores UPC393 o LM 393 que muevan a unos auriculares para un reproductor MP3, que suelen tener una impedancia de carga de 35 Ohms con las bobinas en serie. Entre los comparadores conectados en semipuente y los auriculares, se ubica un filtro PWM que transforma la señal PWM en una señal analógica de alta fidelidad. Ver la figura 25. Observe que cuando las entradas - de U2A y + U2B superan los 900mV la salida 1 tiene su transistor interno saturado y la 7 abierto, con lo cual se aplican 9V al filtro PWM. Cuando la entrada es inferior a 900mV ocurre

PRUEBA SIN OSCILOSCOPIO Si Ud. no tiene osciloscopio deberá fabricarse una punta de prueba de valor pico a pico que puede 78

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lo contrario con lo cual se aplican -9V es decir que con una batería de 9V se genera una señal PWM de 18 lo cual permite utilizar un resistor de filtrado de 3K3 y un capacitor de 1uF. El capacitor debe ser no polarizado o si le resulta difícil conseguirlo use dos electrolíticos polarizados de 2,2µF en serie, unidos por sus terminales positivos. La prueba se realiza del siguiente modo: 1) Conecte un puente entre la entrada y tierra. 2) Conecte la sonda detectora de audio sobre el resistor R10 y tierra (debe indicar unos 600mV) y si no tiene indicación sobre la salida del 555 (debe tener una indicación de 12V). 3) Luego lleve la sonda a la salida por la pata 1 del 393 y deberá indicar 22V aproximadamente indicando que la señal PWM sin modular se genera correctamente. 4) Aplique una señal de audio cualquiera o del disco de prueba con una amplitud de unos 200mV a la entrada y utilizando la sonda PWM escuche la modulación de la salida. PRUEBA FINAL Ya se pueden conectar las dos fuentes, la plaqueta de potencia PWM y el modulador PWM para realizar una prueba. La información está completa, pero seguramente el lector debe tener alguna duda debido a la gran cantidad de información manejada hasta aquí. Le recomendamos que relea toda la información y recién después se dedique a cablear el sistema y por último le recomendamos arrancar el sistema de

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a poco. Si el modulador funciona y la potencia ya fue probada, se puede conectar todo y escuchar por el parlante. Pero aún así le recomendamos que no utilice el parlante hasta no estar seguro del funcionamiento correcto. Utilice la carga resistiva que le enseñamos a hacer. Sobre la carga resistiva haga un atenuador por 10 (1kΩ y 100Ω) y allí puede conectar la sonda PWM que le enseñamos a construir. Ahora sí, conecte todo y pruebe y si la sonda le da un buen audio, conecte la sonda de tensión pico a pico y compruebe la tensión sobre la carga resistiva que debe ser de unos 60V pico a pico. Por último, ponga la entrada de señal en corto a tierra y verifique con el multímetro la tensión continua sobre la carga resistiva; debe ser menor a 500 mV. Si todo está bien puede conectar el parlante de un canal y luego el parlante del otro y a escuchar este misterio de los amplificadores PWM que acabamos de develar y que realmente no era tal. El amplificador está terminado y la información entregada está completa.

EL DIAGRAMADO DE ARMADO TOTAL DEL AMPLIFICADOR DIGITAL En la figura 26 se puede observar el cableado completo de nuestro amplificador. Su prueba debe ser realizada en forma ordenada. Primero debe probar las fuentes positiva y negativa cargándolas con un resistor adecuado. Recuerde que habíamos elegido un sistema de fuentes modular basados en fuentes de 16V y que los consumos variaban entre 1,5A para la fuente más modesta hasta 6A para la más grande que usaba dos fuentes en serie de 16V. Para la fuente más modesta se requiere un resistor de carga de 16V/1,5A = 10 x 25W, por supuesto de alambre. Para la fuente mas grande se requiere un resistor de carga de 32V/6A = 5Ω x 200W construido con cuatro resistores en paralelo de 20Ω x 25W. Una vez probadas las fuentes se las puede conectar al amplificador de potencia cuya prueba fue explicada en la entrega correspondiente.

Figura 25 - Punta conversora PWM a analógica

La plaqueta moduladora por ser de baja potencia no requiere tantos cuidados y se puede cablear direc-

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tamente. La primer prueba que debemos realizar es la prueba de potencia con nuestra señal de entrada de 1kHz obtenida de un CD con tonos de audio o una grabadora de MP3. No utilice los parlantes hasta no haber realizado una exhaustiva prueba del amplificador. Ud debe tener construídas las cargas resistivas que le indicamos en la entrega 3 de este curso. En realidad la primer prueba que realiza un técnico experimentado es el corrimiento de continua sobre la carga y el sobrecalentamiento de los transistores. Conecte el tester di- Figura 26 - Cableado final del gital sobre la carga amplificador digital. resistiva y conecte las fuentes a la red. El tester debe indicar menos de 200 mV si todo está en buenas condiciones. Nota: es conveniente desconectar la señal de entrada para esta medición. Si la tensión esta bien, toque los transistores de potencia, tanto Bipolares como MOSFET para tener una idea aproximada de su temperatura. Sin señal deben estar fríos. Para la medición de la potencia se requiere en lo posible un osciloscopio. La razón es muy simple. Hay que inyectar 1kHz como señal de entrada y aumentar la señal mientras se observa que la salida no esté recortada. En el preciso 80

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momento en que recorta se debe detener el incremento y realizar la medición del valor pap de salida. Pero esta obra está basada en un sabio criterio. No gastar un centavo más de lo necesario, que es la única solución a ésta y a todas las crisis económicas. El Ingeniero Ismael Cervantes de Anda escribió en Saber Electrónica un artículo sobre instrumentos virtuales generados por PC. De uno de ellos ya hablamos al comenzar el capítulo y si bien yo emplee una versión libre que no anda muy bien, se pueden conseguir otras versiones que hasta 30kHz andan perfecto. Otro es un osciloscopio que vamos a probar en la práctica para conocer su verdadero valor. ☺

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