[Aporte] Amplificador discreto modesto

[Sr. Domo]

Si.. sería algo así, en realidad lo veo más como un retardo en la conducción del transistor producto de la red R-C. Pero con un 555 lo podés hacer fácilmente también.

Yo lo veo como un monoestable pero algo así como con su salida invertida. En un monoestable "genérico", en el retardo hay un "1" en la salida del monoestable en todo lo que dure el retardo, una vez terminado regresa a su estado inicial "0", en tu circuito es al revés.

Ambos PCB los pienso hacer compatibles para funcionar con fuente simple o doble, obviamente quedará definido una vez que se suelden los componentes. En caso de usar fuente simple, en el PCB de la protección, no le sueldo los componentes de la protección de continua, pero queda preparado el diseño por si en algún momento me agarra la locura de armarlo con fuente doble.

Entiendo, es buena idea lo que comentas. Desde un principio te ahorras el trabajo de hacer todo el PCB por si se te ocurre alimentarlo con fuente simple.

Justamente pensaba usar una fuente externa tipo notebook que pueda entregar 18v y 4A (se que hay genéricas que entregan 24v, debería averiguar). Lo de los diodos es una buena idea para agregar en los PCB del amplificador.

Eso se me ocurrió apenas porque he estado armando "un lote de PCB's" y a la hora de las pruebas, a una sin querer le metí polaridad inversa, no murió pero mejor ni arriesgarse

Algo que se me ocurrió por si piensas armarlo con fuente doble. Supongamos que la fuente sea externa o incluso interna, no estaría de más una protección o algún circuito que te avise si falta un "rail", como es el +V, -V y GND, alguno puede hacer un falso contacto y si falla +V, pues el GND se comportaría como +V y solo la mitad inferior del circuito estaría funcionando, lo que podría llevarse la parte inferior del ampli. En el circuito inicial, si ocurriera un accidente así, el TIP42 tendría una corriente alta en la base, no? ya que al no existir +V pues no habría la tensión que debe haber en las bases ni otros factores importantes en la etapa amplificadora de voltaje, sería un desastre en esta etapa. Equivale como a quitar Q19 con sus dos resistencias...
Esto lo pude comprobar con un ampli de prueba. Sin querer le desconecté el +V y el transistor que conmuta -V se volvía loco, además de haber CC en la salida e infinidad de cosas raras!

El circuito que proteja frente a esto sería uno que desconecte todas las líneas de alimentación si falla alguna de las 3. Pero, como se alimentaría? hm.. tal vez necesitaría una fuente externa adicional, de 5V? La protección se tornaría más compleja...

Salu2!

La única gran duda que me queda, es si el PCB del amplificador es correcto que en el caso de usar fuente simple, usar como plano de masa los Vcc/2 o si conviene que sea GND, en ese caso se presentaría una incompatibilidad entre las dos fuentes.

Para esto se me ocurre algún interruptor o jumper para cambiar el GND del ampli con fuente simple al GND de la fuente doble y el GND original de la fuente simple sea el -V de la fuente doble.

Creo suena muy confuso

Esto se me ocurre:



Esto implicaría hacer una nueva referencia para polarizar el par diferencial y para la realimentación, algo así como la configuración mostrada en el ejemplo.

El GND en fuente simple sería el -V en fuente simétrica, no requeriría conmutación, solo la polarización y realimentación.

Que opinas?

Salu2!

 

[cosmefulanito04]

El tema del GND y la tierra virtual (en fuente simple) no es por la conexión, ya que las pistas serían las mismas, solo que un caso debería conectar el punto medio del trafo y en el otro agregar ese divisor resistivo con el capacitor para fijar Vcc/2.

La duda está en el plano de referencia que voy usar en la plaqueta (que de paso, aprovecho y lo hago de doble faz para tener mejor plano), si lo hacés con fuente doble es obvio que el plano ese debe ser GND, pero si trabajo con fuente simple ahora GND no es la referencia, sino que es Vcc/2.

¿Conviene tener planos de Vcc/2 sobre el amplificador?, esa es la duda.

Tengo que ver bien que dice el libro, porque a lo último hay un capítulo dedicado a esto.

Yo creo que no conviene, porque la idea del plano es justamente derivar a la masa de alimentación los ruidos que se te puedan meter y Vcc/2 en la fuente simple no representa la masa de la fuente de alimentación.

Entonces esto plantea el problema de no poder hacer un PCB compatible con las dos alimentaciones.

Lo del problema de la falta de una línea de alimentación no lo probé, después lo hago y comento.

 

[Sr. Domo]

El tema del GND y la tierra virtual (en fuente simple) no es por la conexión, ya que las pistas serían las mismas, solo que un caso debería conectar el punto medio del trafo y en el otro agregar ese divisor resistivo con el capacitor para fijar Vcc/2.

La duda está en el plano de referencia que voy usar en la plaqueta (que de paso, aprovecho y lo hago de doble faz para tener mejor plano), si lo hacés con fuente doble es obvio que el plano ese debe ser GND, pero si trabajo con fuente simple ahora GND no es la referencia, sino que es Vcc/2.

¿Conviene tener planos de Vcc/2 sobre el amplificador?, esa es la duda.

Tengo que ver bien que dice el libro, porque a lo último hay un capítulo dedicado a esto.

Yo creo que no conviene, porque la idea del plano es justamente derivar a la masa de alimentación los ruidos que se te puedan meter y Vcc/2 en la fuente simple no representa la masa de la fuente de alimentación.

Entonces esto plantea el problema de no poder hacer un PCB compatible con las dos alimentaciones.

Lo del problema de la falta de una línea de alimentación no lo probé, después lo hago y comento.

Sabes, se me ocurre un interruptor que conmute de la referencia para fuente simple a la referencia para fuente simétrica.

Yo digo que sí conviene, solo hay que desconectar el plano de Vcc/2 cuando se use con fuente simétrica así como sugiero.

Sobre lo de la falta de una línea, yo lo veo algo que también hay que tomar en cuenta, ya que si falta una, habrá continua en la salida y también puede afectar en la etapa de salida por tener la etapa VAS "incompleta".

Off Topic: Estuve analizando tu explicación sobre la máxima excursión de los transistores y junto con los capítulos que hablan de esto en el libro Audio Power Amplifier Design Handbook y pude aumentar un volt más a un ampli que había hecho, además de implementarle varias mejoras en sí, como cargas activas, multiplicador Vbe, salida Szlikai como habían dicho, fuente de corriente constante... el multisim arrojó un offset de unos 300uV, corriente en reposo de 22mA, 10W en 8 ohm, 20W en 4 ohm, 0.001% THD, esto no me lo creo mucho

Salu2!

 

[emanuelven]

excelente, pero tengo muchas preguntas, respecto al diseño de estos amplificadores:
1. como calculas los capacitores, incluyendo el del efecto miller?
2. En que libros estudiaste la teoría para poder diseñar el amplificador? (que no sea el que dice el soiber , ese ya lo tengo y es muy técnico, quiero algo mas de análisis matemático, físico, algo mas ingenieril por decirlo así)
3. como haces para calcular los transistores BJT en el par diferencial? (corriente de polarización y demás)
4. como calculas la re-alimentación negativa? (sin asemejar el par diferencial como un amp op)
5. como calculas la ganancia en lazo abierto?
6. que criterios utilizas para diseñar?
7. Cómo calculas el transistor del VAS?

Saludos, y perdón por tantas preguntas

 

[cosmefulanito04]

1. como calculas los capacitores, incluyendo el del efecto miller?

C1 estará dado por la frecuencia de corte inferior que imponga con R4, en conjunto funciona como un filtro pasa alto.

El valor del capacitor del efecto miller lo obtuve en forma empírica, ese capacitor sirve para limitar el ancho de banda del amplificador (imponer frecuencia de corte superior) y evitar que el amplificador sea inestable (oscile). La forma teórica de calcular ese valor es primero averiguar los polos a lazo abierto del amplificador mediante un modelo de giacoletto completo del amplificador y por último analizar el efecto de ese capacitor (que simplemente crea un polo dominante a menor frecuencia). Como ese análisis es un verdadero despelote para solo obtener el valor de ese capacitor, lo mejor hoy en día es usar un simulador para aproximar su valor y después ajustarlo a la realidad del circuito.

2. En que libros estudiaste la teoría para poder diseñar el amplificador? (que no sea el que dice el soiber , ese ya lo tengo y es muy técnico, quiero algo mas de análisis matemático, físico, algo mas ingenieril por decirlo así)

No sabría recomendarte un libro en particular. Tendrías que buscar uno que explique el operacional 741, ya que la mayoría de los amplificadores discretos se basan en ese diseño, cambiando cosas como explica el libro del Dr.

3. como haces para calcular los transistores BJT en el par diferencial? (corriente de polarización y demás)

La corriente de polarización de esa etapa debe rondar unos pocos mA, en mi amplificador diseñé para que esa corriente sea cercana a 1mA.

Entonces si te fijás, el Q6 funciona como fuente de corriente, la corriente que fijará estará dada por el valor de R1, ya que la caída de tensión sobre esa resistencia siempre será constante, es decir 0,7V, dicha caída la imponen los diodos D1 y D2.

Por lo tanto la corriente Icq6 será 0,7v/330Ohms=2,12mA, el par diferencial en forma teórica dividirá en forma equitativa esa corriente, dándote Icq16=Icq17=1,06mA.

En la realidad al haber pequeñas diferencias entre Q16 y Q17, la corriente no será exactamente equitativa, pero si muy cercana.

4. como calculas la re-alimentación negativa? (sin asemejar el par diferencial como un amp op)

Tenés que leer sobre topologías de realimentación:

- Tensión-Tensión
- Tensión-Corriente
- Corriente-Tensión
- Corriente-Corriente

Yo ya me re olvidé del tema y me resulta más sencillo analizarlo como un operacional.

5. como calculas la ganancia en lazo abierto?

Usando el modelo de parámetros híbridos del transistor a frecuencias medias (los capacitores son un corto, salvo el usado por el efecto miller que es un circuito abierto). Para hacer bien ese desarrollo, es necesario identificar el tipo de realimentación y como influye la red en el análisis.

Nuevamente un simulador te permitirá obtener todos esos datos en forma rápida, impedancia de entrada, de salida, ganancia de tensión, corriente, etc.

6. que criterios utilizas para diseñar?

Lo ideal sería empezar desde la potencia que buscas e ir para atrás, en el caso de un amplificador BJT es necesario evaluar si las etapas anteriores son capaces de manejar las corrientes pico que habrán a la salida, evaluar la excursión para saber que fuente de tensión es necesaria utilizar.

Por el lado de la entrada, siempre el circuito será el mismo y como al etapa diferencia + la vas darán una ganancia de tensión muy grande a lazo abierto, es como si en esas etapas lo más importante fuera polarizar bien para que la excursión te quede lo más centrada posible a la recta dinámica. Después a la alrga, las impedancias de entrada/salida, ganancia final, lo impondrá la realimentación que es uno de los grandes beneficio que tiene, aislarte de lo que pasa adentro y controlar los parámetros del amplificador fácilmente.

7. Cómo calculas el transistor del VAS?

No entiendo, ¿por qué uso ese modelo? o ¿cómo es su polarización y su configración de alterna?

 

[emanuelven]

Muchas gracias cosmefulanito04 , eres uno de los pocos o mejor dicho el único hasta ahora que me responde de forma mas técnica y sincera estas preguntas, ya sabia algo respecto a las topologias de re-alimentación, y respecto al bjt en VAS se que es un emisor comun y su ganancia de tensión esta dada por -Rc/re , donde Rc es la impedancia que ve el bjt VAS de la fuente de corriente que idealmente es infinita, y re es la resistencia de emisor que es aproximadamente Vt/Icq (donde Vt = voltaje termico del orden de 25mv a temperatura ambiente 25C°, y Icq es la corriente de polarización del transistor BJT VAS), entonces idealmente la ganancia de tensión en esa etapa seria infinita. Respecto a la polarización del par diferencial, lo decía, porque como esa etapa esta acoplada directamente con la etapa del VAS, y pues el VAS entrega corriente por la base hacia el colector de un bjt del par diferencial, (si se supone una ganancia del bjt del VAS muy alta, se podría despreciar esa corriente) pero como veo que hay un resistor en el emisor del VAS esto hace que la tensión Base a Vcc del VAS sea mayor de 0.7 volt, puesto que "se le suma" la caída de tensión sobre dicha resistencia, entonces No comprendo como hace la fuente de corriente que hace de carga activa para que se ajuste a esa tensión de Base a Vcc, pues he visto en otros amplificadores que no usan cargas activas sino resistencias y no tienen resistencia de emisor en el VAS, entonces por dicha resistencia de colector del par diferencia hay una caída de tensión aproximada de 0.7 volt, que es la que polariza el VAS, muchas gracias por su tiempo en responder mis inquietudes

 

[cosmefulanito04]

... entonces idealmente la ganancia de tensión en esa etapa seria infinita.

Infinita no va a ser, si será importante, en mi amplificador la ganancia del diferencial multiplicado por la ganancia del VAS, daba algo cercano a 10000 veces (80 dB).

Respecto a la polarización del par diferencial, lo decía, porque como esa etapa esta acoplada directamente con la etapa del VAS, y pues el VAS entrega corriente por la base hacia el colector de un bjt del par diferencial, (si se supone una ganancia del bjt del VAS muy alta, se podría despreciar esa corriente) pero como veo que hay un resistor en el emisor del VAS esto hace que la tensión Base a Vcc del VAS sea mayor de 0.7 volt, puesto que "se le suma" la caída de tensión sobre dicha resistencia, entonces No comprendo como hace la fuente de corriente que hace de carga activa para que se ajuste a esa tensión de Base a Vcc, pues he visto en otros amplificadores que no usan cargas activas sino resistencias y no tienen resistencia de emisor en el VAS, entonces por dicha resistencia de colector del par diferencia hay una caída de tensión aproximada de 0.7 volt, que es la que polariza el VAS, muchas gracias por su tiempo en responder mis inquietudes

Como dijiste, la polarización de esa etapa la impone otra fuente de corriente que funciona igual que la anterior, en este caso Q8 y R7 impondrá esa corriente, quedando 0,7v/330Ohms=2,12mA. Ese valor de corriente tiene dos cosas importantes a tener en cuenta:

- La corriente pico cuando hay señal que deberá entregarle a la base del transistor de potencia la corriente suficiente para que trabaje dicha etapa.

- La recta dinámica, en esa etapa es donde resulta importante hacer que la pendiente de la recta de carga dinámica no sea tan abrupta. La corriente de polarización junto a la carga que verá esa etapa, serán los que influyan en esa pendiente.

Sobre la resistencia R8 (la de emisor), sirve para agregar una caída de tensión similar a la de R5 (0,3V aproximadamente), de esa forma garantizás que la caída de tensión Vec de Q11 sea 0,7v (más o menos) y no tengas problemas de saturación. Es decir, sin R8, la caída de tensión sobre Vec sería 0,4v, valor muy cercano a Vce(sat) de un transistor.

La otra ventaja de R8, es que permite que el VAS presente una impedancia de entrada mayor al diferencial.

 

[cosmefulanito04]

.... volví con el proyecto.

PCB:

Digamos que no me quedó "que bruto, que alineadas las caras"... pero bue.

De vago no me tomé el tiempo de hacer simétricos los canales, con lo cual, simplemente hice uno y el otro lo copié.

PCB armado:

Debido al fusible, uno de los conectores de alimentación lo tuve que dar vuelta, como consecuencia, el otro quedó al revés. Terminé modificando la orientación del conector de fuente que no tenía problemas de espacio para que evitar futuros dolores de cabeza . En otras palabras, los conectores de alimentación me quedaron en el mismo sentido.

Videos (aunque el celular no ayuda, perfora el sonido mal ):

El audio lo probé con la fuente a 12v por no tener disipadores, parlantes de mayor potencia y los dos canales al mismo tiempo (no valía la pena el esfuerzo si no probaba en estereo). Para tener los dos canales al mismo tiempo me faltan un par de conectores .

En cuanto a las mediciones, con una carga de 8Ohms, alimentado a 24v, la excursión llegaba a 10,2Vp, más o menos lo que buscaba (6,2W) y no probé con 4Ohms por los disipadores (los transistores ya calentaban con 8Ohms).

Tampoco probé el modo bridge por no tener los dos canales al mismo tiempo, pero ya lo voy a probar.