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En el presente informe se pretende diseñar e implementar tres circuitos fundamentales para el correcto funcionamiento de un amplificador de audio, estos son, el amplificador de corriente, el amplificador de voltaje y el amplificador de potencia, como sus nombres lo indican, con el primero se obtiene...

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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA 1

Amplificador de Audio (abril 2016) 

Abstract— This report multistep audio amplifier in which the knowledge gained from previous courses are applied is performed.

E

I.

INTRODUCCIÓN

n el presente informe se pretende diseñar e implementar tres circuitos fundamentales para el correcto funcionamiento de un amplificador de audio, estos son, el amplificador de corriente, el amplificador de voltaje y el amplificador de potencia, como sus nombres lo indican, con el primero se obtiene una ganancia de corriente a la salida respecto del nivel de corriente en la entrada, con el segundo se logra obtener una ganancia de voltaje a la salida con respecto al nivel de voltaje a la entrada y con el tercero, una ganancia de potencia en la salida respecto del nivel de potencia en la entrada. IV. DISEÑO Y JUSTIFICACIÓN DEL AMPLIFICADOR DE II. OBJETIVOS OBJETIVOS ESPECIFICOS.  Desarrollar las habilidades necesarias para abordar problemas de síntesis, diseño e implementación de sistemas analógicos. 

Aplicar y poner en práctica todos los conocimientos de dispositivos electrónicos hasta el momento adquiridos.



Estudiar detalladamente la construcción básica de un amplificador audio.

OBJETIVO GENERAL. Visualizar y desarrollar la habilidad diseño de sistemas mediante etapas muy bien definidas, teniendo en cuenta criterios de eficiencia y distorsión. III. AMPLIFICADOR DE CORRIENTE El circuito del que se hace uso para llevar a cabo la tarea de amplificar corriente es la configuración en colector común usando un transistor, como se verá a continuación esta configuración resulta ser la más apropiada ya que esta se caracteriza por una alta impedancia de entrada muy alta, lo cual es muy deseable en un amplificador pues el circuito que lo alimenta no debe entregarle mucha corriente (y así cargarlo) cuando le pase la señal que de desea amplificar y una impedancia de salida baja. Analicemos entonces el circuito:

CORRIENTE

Análisis AC:

V i=V be + V e V b=ib hie +R L ie

R L =R E ∥R L (1) V b=ib hie + ( ib + hfe ib ) R L hie +(h fe+ 1) R L V b=ib ¿

Donde:

Como:

Vb ; ib Z b =hie +( hfe + 1) RL

Zb=

Por lo que:

Z i= Z b ∥R B 

Con:

RB = R1 ∥R 2

(2)

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Aquí podemos ver entonces que para que Z i obtenga una buena señal de la fuente esta debe de ser al menos 10 veces mayor que la impedancia interna de la fuente, por lo que debe de ser como minimo

Z imin =2.2 kΩ Por lo que:

Z i=¿ 2.7k Ω Para cumplir con esto o Z b o R B asignamos un valor a una de estas dos encontrando la impedancia restante en función de este valor asignado, así tenemos:

RB =5 kΩ (3) 5 kΩ∥Z b=2.7 kΩ 5 kΩ∗Z b =2.7 kΩ 5 kΩ+ Z b

Encontremos ahora las resistencias de entrada del transistor

R1 y R2 de la ecuación (3), así: R ∗R 5 kΩ= 1 2 R1 + R2 Asignando a R1 un valor comercial se encuentra R2 : R1=5.6 kΩ R2=46.6 kΩ C1 =C=1 μF Análisis DC. El circuito equivalente bajo el análisis DC es el que se muestra a continuación:

De donde:

Z b =5.869 kΩ

(4)

Igualemos ahora las expresiones equivalentes (2) y (4):

h 5.869 (¿¿ fe+ 1)∗R L

kΩ=¿ Donde se ha despreciado el término hie debido a que es una resistencia que en la gran mayoría de los casos es muy pequeña por lo que se puede ignorar frente al término

h (¿¿ fe+1) , debido a que se hará uso del transistor ¿

2n2222, su ganancia es conocida y es igual a 100, por lo que: 5.869 kΩ=101∗R L R L =58.1 Ω (5) Igualando ahora (1) y (5) se tiene:

58.1 Ω=

RE∗R L RE+ RL

Por lo que asignando un valor a cualquiera de las resistencias del lado derecho de la igualdad se encuentra la otra, daremos entonces un valor comercial a la resistencia de emisor dada por:

R E=1 kΩ Por lo que: R L=61.68 Ω

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46. k ∗17V −0.7 V −I E∗1 k =0 46.6 k +5.6 k I E =14.47 mA 17 V −V C− E− (14.47 mA∗1 k ) =0 V C−E =2.52 V V. SIMULACIÓN DEL AMPLIFICADOR DE CORRIENTE. Las simulaciones tanto del análisis AC como del DC se realizaron en proteus (Isis) y se muestran a continuación: s (Isis) y se muestran a continuación:

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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA 1

En la ilustración se muestra los valores de CD de algunas corrientes y voltajes. En la siguiente figura se muestra la señal de la fuente en RE, donde se observa que es casi la misma salvo una pequeña disminución en la intensidad de esta.

Donde Vin es el voltaje de salida de la etapa anterior (adaptadora de impedancia) y la resistencia Rin es la resistencia de emisor de dicha etapa, esto lo tendremos en cuenta a la hora de diseñar nuestro circuito amplificador de voltaje.

VII. DISEÑO Y JUSTIFICACIÓN DEL AMPLIFICADOR DE VOLTAJE

Análisis DC. VI. AMPLIFICADOR DE VOLTAJE

Bajo análisis DC el circuito a analizar es:

Para lograr esta ganancia de voltaje que se requiere en esta etapa del amplificador de audio, se hace uso del transistor en su configuración en emisor común, en la cual la señal de entrada se aplica a la base, y se observa la salida en el colector del transistor, un esquema de este podría ser el que se muestra a continuación:

Por LVK

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Malla B-E

R2 V −V B− E−I E R E=0 R 2+ R 1 CC

. (1)

Malla C-E

V CC −I C ( RC + R E ) −V C−E =0

… (2)

Análisis AC. Para analizar el circuito en señal alterna el circuito equivalente hibrido es:

Como esta etapa está conectada a la salida de la etapa anterior, la cual corresponde a la adaptadora de impedancia, donde su salida se obtenía en el emisor, así entonces R¿ es la resistencia de emisor del adaptador de impedancia:

R¿ =1 k Por LVK:

V ¿ =ib hie + ib ( h fe +1 ) R E

1+h ¿ fe es Si consideramos que generalmente el término ¿¿ ¿ ¿ 1+h ¿ fe mucho mayor que hie , este es , se obtiene: ¿¿ ¿ hie ≪¿

h (¿¿ fe+ 1) RE h R A v = fe C ¿

… (5)

Z ¿ ≫ 1 kΩ

Por lo que damos un valor adecuado a esta impedancia: … (3)

Z ¿ =10 kΩ

También tenemos que:

Z ¿ =(R 1 ∥R2 )∥Z b

… (4)

Además, la ganancia de voltaje estará dada por:

Av =

h ¿ c ¿ fe R¿ ¿ 1+h = ¿ fe ¿¿ ¿ ¿ ¿ ¿

Ahora, si queremos una buena señal de entrada, y que gran parte, si no toda sea procesada por el amplificador de voltaje, deberemos de tener una impedancia de entrada mucho mayor que R¿ , es decir:

De donde:

V¿ =Z b ib h (¿¿ fe+ 1) RE Z b=hie +¿

4

Vo hfe i b R c = V ¿ i b hie +ib( 1+hfe ) R E

… (6)

Para obtener esto, de la ecuación (4), encontraremos valores adecuados para R1 y R2 , de tal forma que su paralelo me de aproximadamente 10k Ω , y posteriormente, analizaremos las condiciones para Z b , de tal forma que esta sea mucho mayor que este valor, y así el paralelo sea bastante cercano a los 10k Ω que es el valor que se quiere obtener, por lo tanto: Si R2=10 kΩ R1 Podría ser:

R1=90 kΩ Si queremos una señal de salida, sin demasiada distorsión, y siguiendo la recomendación hecha en el pasado laboratorio, damos un valor a la ganancia, este es , A v =15 ,

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LABORATORIO DE ELECTRÓNICA 1 observando también que dicha ganancia de la ecuación (5) es inversamente proporcional a la resistencia de emisor R E , asignamos a esta un valor pequeño, y en función de este valor y la ganancia se obtiene RC , por tanto de (5):

A v (h fe +1 ) R E =RC Si R E=680 Ω RC ≈10 kΩ Si analizamos el punto de operación bajo el cual se encuentra el transistor, de las ecuaciones (1) y (2) se obtiene:

I CQ =1.47 mA Y

V CEQ =1.29V

obtener una mayor ganancia de voltaje se conecta otra etapa igual a la ya descrita en cascada. IX. DISEÑO Y JUSTIFICACIÓN DEL AMPLIFICADOR DE POTENCIA

Para el diseño del amplificador de potencia, se escogió el clase B en cuasimetria-complementaria se intenta proceder con un Darlington pues estos poseen una mayor sensibilidad del circuito permitiéndonos tener una mayor precisión al momento de colocar el amplificador y permitiéndonos quitar ruido por causa de distorsión, debido a que este tipo de amplificador de potencia presenta una eficiencia elevada en comparación con otros tipos y además la potencia que disipan en muy baja, esto debido a que los transistores se encuentra polarizados en el corte, estos es I CQ =0 , el esquema del circuito es el siguiente:

VIII. SIMULACIÓN Y OBSERVACIONES Las simulaciones del circuito diseñados y las que restan, se hicieron en el programa computación “Multisim” de national instruments, mostrada en la siguiente figura.

Se muestra la simulación de las formas de onda en la entrada y en la salida del circuito anterior: Nuestro diseño lo haremos en base a unos parámetros bien definidos los cuales son:

PL =5 W R L=8 Ω 2 V CC =17 V Es posible demostrar que

Se puede evidenciar entonces que existe una clara ganancia de voltaje en la salida respecto del presente en la entrada, para

PLmax

esta dada por:

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I ¿ L ¿ Cm2 R ¿ ¿ ¿ V 2CC PLmax = =¿ 2 RL

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Calculo de

Este capacitor se encarga de garantizar la unión de las bases de los transistores T 1 y T 3 , dicho capacitor es opcional, esto quiere decir que es quitarlo del circuito no afectaría gravemente el funcionamiento de este, su valor está dado por:

C3 =

De donde:

I Cm =1.11 A 

Calculo de

RE1 y

rd =

R L , estos son R E 1 , R E 2 ≪ RL , esto con el

C3 =1.48 μF

R L=0.47 Ω

La frecuencia f la tomamos como10Khz, esta frecuencia está dentro del rango de frecuencias sobre las cuales se va a trabajar.

La potencia en dichas resistencias está dada por: 2

Pℜ 1=Pℜ 2=I Cm R E 1=(0.47 Ω ) (1.11 A )



Pℜ 1=587.5 mW

RE:

V R 8 V R8 = I RB I R 7

Se escoge un valor para V R 8 de tal forma que sea 10 veces menor al voltaje de la fuente de alimentación, por lo tanto:

R3 :

Su valor está dado por:

R 3=

Calculo de

R E=

Lo cual es una potencia de disipación muy baja. Calculo de

25 mV 25 mV ≈ =3.57 Ω I R7 I R 7−I B T 1

fin de minimizar las pérdidas de la señal así:

2

1 2 πf ( 3 r d )

Donde r d es la resistencia dinámica de unidad expresada como:

RE2:

Para hallar valores adecuados para estas resistencias se hace R E 1 y R E 2 muchos menores que



C3 :

VR3

R E=

I R3

Donde I R 3 se escoge de tal forma que se garantice la polarización de los diodos en serie, así:



R2 :

Calculo

R 2=

I R 3=7 mA Debido a la polarización de los transistores en el corte, la ecuación en la malla C-E de los transistores T 2 y T 4 da:

1.7 V =242.8 Ω 7 mA

VR2 I R2

I R 2= I R 1−I BT5 , asumiendo que I B T

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es

muy pequeña y tomando:

I R 1=1 mA

C−E T 2=¿V C−E T =2 V CC =17 V V¿ 4

R2 =

Por lo que:

V R 3=V C−E T −1.4 V



V ℜ +0.7 V =2.4 kΩ 1 mA

Calculo de

R1 :

2

V R 3=15.6 V Obteniéndose:

R3=2.28 kΩ

R1 =

V R 1 2V CC−V R 2 17 V −1.7 V = = 1 mA 1 mA I R1

R1=14.6 kΩ

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA 1 

Calculo de

C1 =

C1 :

1 1 = =1.09 nF 2 πf R1 2 π (20 Khz)(14.6 kΩ)

X. CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS Diodos rectificadores: Son diodos comúnmente de Silicio cuyo voltaje de umbral es 0.7 V, reciben el nombre de diodos rectificadores por emplearse en el proceso de rectificación, sus valores nominales de potencia y corriente son por lo general mucho más altos que los de los diodos utilizados en otras aplicaciones. Capacitor: Un condensador es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total. Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser introducido en un circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga. La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio. Transistor (TIP31): Es un transistor NPN de Silicio amplificador de potencia, estos operan con voltajes pequeños y pueden admitir corrientes relativamente intensas. Se utilizan estos transistores pues poseen grandes potencias con las que se pueden trabajar permitiendo así que estas se quemen, se colocan TIP31 ya que estos permiten tener una mayor

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potencia pues los transistores de voltaje necesitan una gran potencia. Transistor (2N2222): también identificado como PN2222, es un transistor bipolar NPN de baja potencia de uso general. Sirve tanto para aplicaciones de amplificación como de conmutación. Puede amplificar pequeñas corrientes a tensiones pequeñas o medias; por lo tanto, sólo puede tratar potencias bajas (no mayores de medio Watts). Puede trabajar a frecuencias medianamente altas. Las hojas de especificaciones señalan como valores máximos garantizados 500 miliamperios, 50 voltios de tensión de colector, y hasta 500 mili vatios de potencia. La frecuencia de transición es de 250 a 300 MHz, lo que permite utilizarlo en aplicaciones de radio de alta frecuencia (hasta 300 MHz). La beta (factor de amplificación, hFe) del transistor es de por lo menos 100; valores de 150 son típicos.

Transistor (TIP32): Es un transistor PNP. Este posee y permite manejar grandes valores de potencia, pero con el Darlington se permite cambiar la configuración impidiendo que este transistor maneje grandes potencias, al lograr este correcto funcionamiento podemos observar y analizar que los transistores tip31 son los que soportaran la mayor potencia.

XI. DIAGRAMA ELÉCTRICO TOTAL

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA 1 XII. CONCLUSIONES Se puede concluir que en para el diseño de un amplificador de voltaje y potencia es necesario tener en cuenta una serie de consideraciones para su correcto funcionamiento, finalmente destacar la importancia de este tipo de circuitos eléctricos debido a su amplio uso en una gran gama de aplicaciones entra las que se encuentran amplificadores de voz, televisores, reproductores de CD y video. XIII. BIBLIOGRAFÍA http://electronicacompleta.com/lecciones/amplificador-depotencia-de-audio/ http://www.neoteo.com/electronica-basica-amplificador-deaudio Circuitos de Boylestad Ed 3.

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