Un amplificador integrado para principiantes (amplificador + preamplificador + fuente)

Dr. Zoidberg

Well-known-Papá Pitufo
Luego de construir el amplificador de museo me vino la idea de que sería bueno disponer en el foro de un tema que contemple el diseño y construcción de un pequeño amplificador integrado completo: amplificador + preamplificador + fuente para que los principiantes, novatos y alumnos de escuelas técnicas tengan un lugar desde comenzar y evolucionar. Y digo pequeño para que el costo sea completamente acotado pero que aún así permita musicalizar un ambiente (uno) de cualquier casa de tamaño "normal".

También buscaremos que el tema incluya el diseño y construcción de el/los gabinete/s, por que esto suele ser un punto muy débil (de hecho el más débil) en la construcción de equipos de audio que finalmente terminan funcionando ocultos para que nadie vea el engendro que hicimos.

Los viejos amplificadores eran, por varios motivos, de poca potencia y eso permitía un precio mas o menos accesible, y para ser sinceros, cualquier habitación (entre 6 y 9m2) o living de una casa normal (no mucho mas de 25m2) puede llenarse de sonido hasta niveles insoportables con una potencia que no exceda los 15 o 20 watts. Por esto vamos a ir por un amplificador integrado de esa potencia para que el costo de materiales sea lo más reducido posible y si se quema algo no tengamos que llorar durante semanas.

Como de costumbre, la idea también es reciclar la mayor cantidad de cosas posible pero sin pichulear al extremo de usar componentes de dudosa calidad o de estado desconocido con los que luego secan la mente en el foro por que no logran que funcione. Si tengo que dar precios, lo voy a hacer en dólares por que serán mucho mas estables que si los doy en la moneda de mi país (que además nadie reconoce).

En mi mente dá vueltas la siguiente imagen: este amplificador tendrá una etapa de potencia de 15+15W hecha con transistores (los mas baratos que soporten la potencia buscada sin riesgo), acoplado con capacitor para no tener que hacer protectores de parlantes y gastar extra (sobre todo en relays de potencia), alimentado con fuente de simple polaridad, con un preamplificador con circuitos integrados baratos pero de buena calidad y capaz de manejar las entradas que se disponen en la actualidad (CD/DVD, DAC, Bluetooth, salida de celular, etc), una fuente de alimentación de bajo ripple y costo muy accesible, un transformador que se pueda comprar fácilmente en el comercio a costo "accesible" (o bien que pueda construir quien encare este amplificador @Rorschach --> teléfonooo), un gabinete construido sin gastar mucho dinero con cosas que podemos encontrar en la basura (fuentes de PC, recortes de MDF, papel de aluminio de la cocina, etc) y acá llamamos @malesi que tiene experiencia haciendo estas cosas bonitas y baratas.

Demás está decir que, como siempre, están invitados a participar todos lo que puedan aportar know-how (y risas también :ROFLMAO: :ROFLMAO: )

PD: Este tema puede demorar hasta 30 años en finalizarse, así que les pido que se armen de paciencia aquellos que decidan leerlo...

Empecemos:
1- El amplificador:
Luego que logré hacer funcionar el Texas de 7 a 70W (que son de 35 a 50 a fin de cuentas) comencé a pensar en este tema, pero no quise traer la versión de 15 watts para tirarla a los principiantes por que no veo muy potable que recorran todo el camino que hice yo en el tema antes referido: no saben manejar un simulador, no tienen osciloscopio ni generador de funciones, el tester es uno barato sin muchas posibilidades y el conocimiento de electrónica es de básico a nulo, lo que puede provocar lo que me causó a mí cuando era muy joven: un embole mayúsculo y 40 años de estudios y espera.
Entre los circuitos que encontré, está el famoso Fapesa de 15W:
01-fapesa15W.jpg

Por supuesto, el Texas de 15W:
02-texas15W.jpg

Y tambien uno mas moderno, pero tipo old-school, creado por Rod Elliot de Elliot Sound Products del que me voy a tomar la libertad de descargar la imagen por que ya ha cambiado de URL varias veces y luego se pierden los links:
1652210524291.png

He simulado las tres versiones y funcionan bien, peeeero:
a)- La Fapesa era históricamente excelente, pero la parva de capacitores de bajo valor que tiene me dá mala espina, sobre todo por que es una etapa con dos realimentaciones separadas - en DC y AC - y tiene varios capacitores en lugares un poco "inverosímiles" que me hacen dudar de proponerla. Además, si bien funciona OK, me aparece un pico de 1dB entre 5 y 60Hz (mas o menos) que se atenúa a medida que aumento la señal de entrada (tipo loudness incorporado).

b)- La Texas tiene esa corrección RC múltiple en la etapa Amplificadora de Tensión (VAS) y si se le quita comienzan los problemas, al menos en la simulación, pero tiene lindos pares Sziklai en la etapa de salida, lo que disminuye los requerimientos sobre el servocontrol del bias.

c)- La de ESP es un circuito que tiene la base del Fapesa, en la entrada y el VAS, pero mucho mas "natural" y sin tantos capacitores descolgados por ahí. Sin embargo es diferente en la etapa de salida ya que usa pares darlington PNP y NPN. Este diseño está claramente estipulado que es para "experimentar y aprender" y Rod Elliot ha eliminado muchas cosas que SI tienen los amplificadores "denserio": servocontrol de la polarización estática (Fapesa y Texas si lo tienen), resistencias de emisor de bajo valor para no desperdiciar potencia ahí, etc.

Entonces se me ocurrió tomar de cada uno lo que yo considero mejor y hacer un diseño "mezcla" que habrá que probar y evaluar primero en simulación y luego en la vida real:
03-amp15W-mezcla.jpg
Ahí se puede ver que tomé la entrada y el VAS del amplificador de ESP, el servocontrol de bias del Fapesa y la etapa de salida con pares Sziklai del Texas, pegotié todo, ajusté la ganancia para lograr la máxima salida con la misma entrada del Fapesa (350mVrms) y la misma alimentación de 38V. Y quedó lo que está en la imagen de arriba que es una captura de Simetrix.

Las primeras simulaciones son muy prometedoras aunque hay algunas cosas potencialmente peligrosas (sobre todo para los principiantes) y debo corregirlas, tal como el brutal ancho de banda de casi 2.5MHz que haría que el amplificador oscilara con solo mirarlo o si usamos un layout de medio pelo en el PCB.
Les dejo algunas imágenes de las simulaciones:
Salida y THD:
04-ampli-mezcla-THD.jpg
Respuesta en frecuencia (con 220pF en el VAS para achicar el ancho de banda):
05-ampli-mezcla-rsta-fcia.jpg

Despues seguimos...
.
 
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Dr. Zoidberg

Well-known-Papá Pitufo
El fapesa es un bicho noble, si haces cosas raras con los capacitores se la banca (bah, masacras el ancho de banda), salvo que hagas la barrabasada de un compañero de la ENET 12 que ELIMINO C8 y C4 y salio transmitiendo en AM antes de detonar la etapa de potencia:eek::eek::eek:
Es que el problema no es eliminar C8 y C4 sino dejar C7 en el valor chiquito que tiene. Si le acotás el ancho de banda en el VAS estabilizás todo el sistema por que metés un polo dominante en la función de transferencia. Con el capacitor de Miller (C7) de 27pF en el VAS tenés un ancho de banda de 2.5MHz :oops: :oops: y a ese hay que plancharlo por que si nó va a oscilar como loco.

Hace unos meses un usuario realizó una consulta sobre el amplificador RCA de 100W de los 70's: tenía dos etapas y a una le había cambiado un transistor que se había quemado y ahora tenía un transmisor de AM DPM!! Ese amplificador no lleva el capacitor de Miller, así que cuando le metió el de 100pF que le dijimos comenzó a funcionar a la perfección. El otro canal que estaba original no oscilaba vaya Dios a saber por qué, pero es probable que los transistores antediluvianos que tenía tuvieran terrible capacidad base-colector propia de la pastilla y eso oficiaba como estabilizador. Cuando puso un transistor moderno....PUFFF!!!!
 
Es que el problema no es eliminar C8 y C4 sino dejar C7 en el valor chiquito que tiene. Si le acotás el ancho de banda en el VAS estabilizás todo el sistema por que metés un polo dominante en la función de transferencia. Con el capacitor de Miller (C7) de 27pF en el VAS tenés un ancho de banda de 2.5MHz :oops: :oops: y a ese hay que plancharlo por que si nó va a oscilar como loco.

Hace unos meses un usuario realizó una consulta sobre el amplificador RCA de 100W de los 70's: tenía dos etapas y a una le había cambiado un transistor que se había quemado y ahora tenía un transmisor de AM DPM!! Ese amplificador no lleva el capacitor de Miller, así que cuando le metió el de 100pF que le dijimos comenzó a funcionar a la perfección. El otro canal que estaba original no oscilaba vaya Dios a saber por qué, pero es probable que los transistores antediluvianos que tenía tuvieran terrible capacidad base-colector propia de la pastilla y eso oficiaba como estabilizador. Cuando puso un transistor moderno....PUFFF!!!!
El genio que hizo el experimento buscaba sacarle mas agudos (WTF! :oops: ), asi termino. Por cierto los transistores antiguos solían tener una calidad de manufactura bastante discutible en algunos casos.
Yo hoy por hoy con componentes actuales (sobretodo si son auténticos) tendría muchísimo cuidado con el valor de los capacitores y el layout del circuito. No creo que sea muy difícil acercarse bastante al máximo teórico si lo construis como corresponde.
Por otro lado, limitar el BW a 100 KHz me parece mas que razonable, muchos buenos amplificadores (inclusive muchos considerados Hi-End) tienen ese ancho de banda o poco mas.
 

Dr. Zoidberg

Well-known-Papá Pitufo
Ayer hice algunas simulaciones adicionales y llegué a este esquemático "final":
06-amp15W-mix-fcia.png
que básicamente es el mismo que antes pero con algunos cambios menores:
1- Alimentación disminuida a 34V, por que se puede lograr fácil con un transformador de 24V o de 12+12V y eso se consigue fácil....aunque haya que pagar una pequeña reducción de la potencia de salida (alrededor de 1W menos).

2- Cambio del capacitor de salida de 2200uF a solo 1000uF por que la diferencia en la respuesta en baja frecuencia tiene el punto de -3dB en 12.6Hz mientras que con 2200uF está en 8.8Hz. Es una diferencia muuuy pequeña para una diferencia de costo relativamente importante aunque hay algo de efecto hasta los 40Hz mientras que con 2200uF eso ocurre cerca de los 20Hz. En fin...cada uno puede decidir que hacer.

3- EL valor de C7 lo aumenté a 220pF, lo que limita la respuesta en alta frecuencia a 292kHz. El efecto del filtro pasabajos logrado por efecto Miller se introduce un poquito en el extremo superior de la zona de 20kHz y molesta una fracción de dB (algo así como 0.5dB) y considero que es inescuchable. De todas formas C7 puede reducirse hasta 100pF sin mucho problema, aunque en ese caso la frecuencia de corte superior se extiende un poco mas allá de 600kHz.

07-ampli15W-mix-rstaFcia.png

4- También he cambiado los BD139/140 por BC639/640 tal como ESP lo propone en su diseño, lo que es una buena idea por que aunque manejan un poco menos de corriente que los BD, son mas baratos y van a facilitar el montaje en un disipador ad-hoc junto al servocontrol del bias ("pienso" usar la misma técnica que usé en el amplificador de museo, con un trozo de aluminio de 3mm limado en redondo para calzar los transistores TO-92. El que no tenga aluminio de 3mm podrá usar un recorte de disipador de fuente de PC, que si bien es un poco mas delgado, también es lo suficientemente sólido).

Ahora me voy a poner a diseñar el PCB...y volveré.
 

Dr. Zoidberg

Well-known-Papá Pitufo
Acá les dejo una primera aproximación al PCB de UN amplificador. Mide 56.8 x 75.63 mm y la idea es que entren dos amplificadores en un recorte comercial de 10x15cm y ver si el recorte que sobra alcanza para el PCB del preamplificador...
1652650683379.png
Está ruteada entera y tiene tres pequeños puentes por que hay que respetar la posición de algunos componentes, como que los dos drivers y el control del bias estén en la misma línea para poder sujetarlos del mismo disipador a los tres. También la posición del trimpot, para que pueda ajustarse por un costado. También debe tener la menor cantidad de conectores para que salga mas barato...
 

Dr. Zoidberg

Well-known-Papá Pitufo
Luego del censo estuve jugando un rato con el PCB y le hice algunos pequeños cambios, sobre todo para poder colocar el disipador sobre los drivers + el control del bias. Quedó esto:
1652887440691.png
Y la vista del cobre es esta:
1652888270464.png
No se les vaya a ocurrir usarla hasta que no verifique si funciona OK, por que "creo" que hay que modificar un par de cosas para achicar un poquito el PCB, pero al menos ya caben dos PCB en un recorte de 10x15cm de pertinax o lo que sea que usen.
 
Última edición:
Me gustó el tema, pero me perdí si estás usando el de FAPESA de 15Watts o el de Elliot... de 70Watts... Por lo pronto, prestaré atención a tu proyecto...
 

Dr. Zoidberg

Well-known-Papá Pitufo
Preguntas tontas pero,
¿Requsitos de la fuente de poder?
¿Impedancia del parlante?
¿Potencia sonora?

Espro no incomodar con tantas preguntas.
Naaaa...no incomodás nada.
La fuente debe entregar de 34 a 40V en simple polaridad de CC a 2 o 2.5A para estéreo. Puede ser un poco menos pero depende de lo bueno que sea el transformador...

La impedancia del parlante es 8 o 6 ohms. Puede trabajar con 4 ohms pero hay que retocar un par de cosas.

La potencia de salida está calculada en 15W pero puede llegar hasta 20W dependiendo de la tensión de alimentación final. Para mantener el costo bajo y en lo posible no pelear con transistores truchos he usado Tip41/42 y no tienen un SOA muy amplio que digamos...

La idea de este mini-proyecto es juntar varios diseños simples y económicos en los que se puedan reutilizar y reciclar componentes y materiales fácilmente disponibles, y finalmente lograr un sistema de audio de muy buena calidad, que cualquiera pueda hacer para su hogar y con un costo lo mas bajo posible...con reciclado incluido.
 

Dr. Zoidberg

Well-known-Papá Pitufo
Y les dejo la idea del preamplificador que estoy pensando usar: es el control de tono del P94 de ESP con el control de Volumen de Baxandall que propone usar D. Self.
08-preamp-with-volume-v2-trans.png
Este esquema usa tres A.O. dobles, pero aunque los TL072 y los NE5532 son muy baratos, no pueden usarse ambos en forma intercambiable hasta que arregle algunos detalles del circuito...y aún le falta el control de Balance.

Bue...por ahora está en estudio...
 
Y les dejo la idea del preamplificador que estoy pensando usar: es el control de tono del P94 de ESP con el control de Volumen de Baxandall que propone usar D. Self.
Ver el archivo adjunto 282370
Este esquema usa tres A.O. dobles, pero aunque los TL072 y los NE5532 son muy baratos, no pueden usarse ambos en forma intercambiable hasta que arregle algunos detalles del circuito...y aún le falta el control de Balance.

Bue...por ahora está en estudio...
Para los niveles de señal que se manejan en esa etapa (parece todo "line level") deberíamos estar bien con los TL072 (bah, me parece a mi).

Lo que si, yo trataría de que ambos canales corran dentro de chips independientes. Pienso que eso puede simplificar el diseño del PCB aparte de maximizar la separación de canales (IMHO).
 

Dr. Zoidberg

Well-known-Papá Pitufo
Para los niveles de señal que se manejan en esa etapa (parece todo "line level") deberíamos estar bien con los TL072 (bah, me parece a mi).
Seee ...efectivamente son todos niveles de línea por que en la actualidad ya no existe acceso masivo a bandejas tocadiscos, ni decks ni sintonizadores...y casi que tampoco reproductores de CD y DVD ya todas la señales provienen del dominio digital incluyendo el streaming, así que este preamplificador tendrá entradas para CD/DVD, DAC y bluetooth...y todas son señales entre 1V y 2V de amplitud máxima.
Lo que sí me va a traer problemas es que cosa usar para conmutar las entradas y que el costo y la facilidad de adquisición no se vayan al diablo.

Lo que si, yo trataría de que ambos canales corran dentro de chips independientes. Pienso que eso puede simplificar el diseño del PCB aparte de maximizar la separación de canales (IMHO)
Lo de los canales en chips independientes no lo creo necesario. Según la hoja de datos, la separación entre canales es de 120dB en el TL072 y 110dB en el NE5532, y a esos niveles es mucho mas probable tener "acoplamiento" por deficiencias en el diseño del PCB que entre los A.O. del mismo chip. Además, usar chips separados complica mucho el layout del PCB aparte de que estoy jugando con lograr un PCB de 40 x 150 mm máximo...que vendría siendo lo que sobra del recorte de 10 x 15cm propuesto para la construcción de los amplificadores en estéreo.

Al menos, es lo que estoy imaginando....🤷‍♂️
 
Seee ...efectivamente son todos niveles de línea por que en la actualidad ya no existe acceso masivo a bandejas tocadiscos, ni decks ni sintonizadores...y casi que tampoco reproductores de CD y DVD ya todas la señales provienen del dominio digital incluyendo el streaming, así que este preamplificador tendrá entradas para CD/DVD, DAC y bluetooth...y todas son señales entre 1V y 2V de amplitud máxima.
Lo que sí me va a traer problemas es que cosa usar para conmutar las entradas y que el costo y la facilidad de adquisición no se vayan al diablo.


Lo de los canales en chips independientes no lo creo necesario. Según la hoja de datos, la separación entre canales es de 120dB en el TL072 y 110dB en el NE5532, y a esos niveles es mucho mas probable tener "acoplamiento" por deficiencias en el diseño del PCB que entre los A.O. del mismo chip. Además, usar chips separados complica mucho el layout del PCB aparte de que estoy jugando con lograr un PCB de 40 x 150 mm máximo...que vendría siendo lo que sobra del recorte de 10 x 15cm propuesto para la construcción de los amplificadores en estéreo.

Al menos, es lo que estoy imaginando....🤷‍♂️
Ojo, son paranoias mías unidas al hecho de que si hago el canal "L" el "R" es simplemente un gemelo identico (hay que evitar la fatiga... :oops:).

Ojo que nada impide armarle un buen pre de fono para los "aficionados" al vinilo...;)
 
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