Club70 Audio

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

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

CAPITULO 3COMPONENTES PASIVOS USADOS ENUN AMPLIFICADOR DIGITAL . . . . . . .23Potencia, tensión de fuente y corriente . . . . .23Características de los capacitores . . . . . . . . .24Capacitores fijos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24Capacitores de mica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25Capacitores de plástico . . . . . . . . . . . . . . . . .25Capacitores electrolíticos . . . . . . . . . . . . . . . .25El inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26Prueba del filtro terminado . . . . . . . . . . . . . .27Prueba y reparación de un amplificador deaudio digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28La resistencia de carga . . . . . . . . . . . . . . . . .30Medición del filtro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30Mediciones sin el osciloscopio . . . . . . . . . . .31Medición de rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . .32

CAPITULO 4EL MODULADOR PWM PROYECTO DE UN AMPLIFICADORCON MODULADOR DE PULSO . . . . . . .35Funcionamiento de un LM555 como tempori-zador monoestable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35Funcionamiento del LM555 como osciladorastable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37Consideraciones de diseño . . . . . . . . . . . . . .38

Uso del terminal de control y el reset . . . . . .39Modulador por ancho de pulso PWM . . . . . .39El circuito completo del modulador . . . . . . .41El mundo digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42Los números . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42La realimentación negativa . . . . . . . . . . . . . .43Circuito equivalente mecánico de una bocina43La realimentación negativa . . . . . . . . . . . . . .44La realimentación negativa en amplificadoresPWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46Modulador PWM ultralineal . . . . . . . . . . . . .47Amplificadores PWM integrados . . . . . . . . .50

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

CAPITULO 6AGREGANDO PROTECCIONES ALAMPLIFICADOR PWM . . . . . . . . . . . . . .59Las protecciones en el amplificador . . . . . . .59Cálculo de los resistores sensores de sobreco-rriente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61Circuitos de los fusibles electrónicos . . . . . .61

CAPITULO 7DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO DELAMPLIFICADOR DIGITAL . . . . . . . . . . .65Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65El dibujo del circuito eléctrico preparado parael impreso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67El trazado de las pistas . . . . . . . . . . . . . . . . .69El disipador térmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71Armado, conexionado y prueba . . . . . . . . . .72Diseño del generador de portadora y del modu-lador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74El circuito en Live Wire preparado para diseñarel circuito impreso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76Prueba del modulador . . . . . . . . . . . . . . . . . .77Prueba sin osciloscopio . . . . . . . . . . . . . . . . .78Prueba final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79El diagrama de armado total del amplificadordigital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79

SUMARIO

1SUMARIO

Sum y Edi Club 70 12/8/10 10:45 AM Página 1

EDITORIAL Y LEGALES

2EDITORIAL Y LEGALES

Director Ing. Horacio D. Vallejo

Autor de este Tomo Ing. Alberto H. Picerno

ProducciónJosé María Nieves

Selección y Coordinación:Ing. Horacio D. Vallejo

EDITORIAL QUARK S.R.L.

Propietaria de los derechos en castellano de la publica-ción mensual SABER ELECTRÓNICA - Herrera 761(1295) - Capital Federal - Buenos Aires - Argentina -T.E. 4301-8804

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La Editorial no se responsabiliza por el contenido delas notas firmadas. Todos los productos o marcas quese mencionan son a los efectos de prestar un servicioal lector, y no entrañan responsabilidad de nuestraparte. Está prohibida la reproducción total o parcialdel material contenido en esta revista, así como la in-dustrialización y/o comercialización de los aparatos oideas que aparecen en los mencionados textos, bajopena de sanciones legales, salvo mediante autoriza-ción por escrito de la Editorial. Enero 2011.

Impresión: Talleres Babieca - México

¡Los bits llegaron a los amplificadores de audio digitales… aprenda a diseñaramplificadores de audio digitales y ármelos usted mismo!

Obtenga desde 1W a 500W con el mismo circuito usando 2 MOSFet de conmuta-ción 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 12parlantes… 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 amplifi-

cadores digitales.¡Conozca “muchas locuras más” pero que funcionan y son económicas!

Este texto es un “minicurso” cuyo objetivo es enseñarle el funcionamiento de los ampli-ficadores de audio y darle algunos consejitos para obtener excelentes beneficios con pocainversión. 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 amplifica-dores analógicos, le vamos a enseñar en forma práctica cómo funciona un amplificador quesólo posee transistores MOSfet del tipo llave como salida, que no calienta, que no usa disi-padores y que puede tener la potencia que Ud. quiera en un tamaño diminuto y con una fuen-te igualmente pequeña.

Los amplificadores clásicos tienen un rendimiento del 60% con un buen diseño. Unamplificador digital puede tener un rendimiento del 95%. ¿Y eso es todo? No, eso es sólo elprincipio, le vamos a explicar cómo se construye un parlante digital en donde la conversiónD/A se realiza en la bobina móvil del parlante y le daremos los datos para que pueda cons-truir parlantes digitales. Y también le vamos a explicar cómo se construye un sistema digitaldonde se utiliza un parlante diferente para cada bit de la señal digital, es decir “un sistemaen 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 sis-temas 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 conoci-mientos adquiridos en este mini curso.

Ing. Alberto H. Picerno

SOBRE EL CD Y SU DESCARGA

Ud. podrá descargar de nuestra web un Curso Multimedia CompletoSobre Amplificadores de Audio y Cajas Acústicas, que posee TODAS laslecciones, videos, test de evaluación, guías y proyectos prácticos, etc.Para realizar la descarga deberá ingresar a nuestra web: www.webelec-tronica.com.mx, tendrá que hacer clic en el ícono password e ingresar laclave “cajasaudio”. Tenga este texto cerca suyo ya que se le hará una pre-gunta aleatoria sobre el contenido para que pueda iniciar la descarga.

Editorial

Sum y Edi Club 70 12/8/10 10:45 AM Página 2

INTRODUCCION A LOS AMPLIFICADORES DE AUDIO

3LOS SISTEMAS DIGITALES

Introducción a losAmplificadores de Audio

¿UNA SERIE DE AUDIO?

Cuando el amigo lector comience a leer estelibro de audio, seguramente pondrá cara de “y yoque soy capaz de arreglar un TV de última ge-neración ¿me voy a poner a estudiar audio?En“Saber” se volvieron locos con Picerno encabe-zando el manicomio”.

Pero ¿y si le digo que en esta obra le vamos aexplicar cómo se puede hacer un amplificador deaudio con compuertas y algunos pocos compo-nentes externos con una calidad que no envidiapara nada a los equipos costosos. O que se pue-de construir un amplificador con compuertas ytransistores MOSFET digitales de potencia paralograr cientos de watt de salida con rendimientosdel 90% o más. Y hasta amplificadores de 20Wsin disipadores en los MOSFET de potencia, de ésos que cuestan menos de 3 dólares…? En-tonces ya no estoy tan loco ¿no?

Seguramente Ud. ya está pensando que los amplificadores digitales son lo máximo, quedespués de eso no hay nada más moderno. Se equivoca, nosotros vamos a explicarle cómose construye un parlante digital con múltiples bobinas móviles, al que le ingrese un código bi-nario con transistores de potencia y genere “potencia” de audio usando el cono del parlantecomo conversor digital analógico.

Ahora sí, parecería que no hay nada más moderno. Se equivoca, ya existen conjuntos deparlantes en que cada uno de ellos genera un bit de potencia sonora, de modo que el aire ha-ce de conversor digital/analógico. Vamos a tratar de hacer kits para que Ud. pueda experi-mentar o armar un amplificador analógico y uno digital para hacer pruebas comparativas deiniciación. Tal vez no podamos realizar el conjunto de parlantes pero vamos a tratar de quepueda probar un parlante digital construido en Argentina, aunque quizás nos demoremos al-gún tiempo dado lo complejo del tema.

INTRODUCCIÓN

En mis tiempos, un amplificador de audio era elprimer equipo que uno aprendía a reparar debido a losimple de su diseño.

Hoy los amplificadores de audio han cambiadonotablemente su construcción, transformándose en

dispositivos digitales tanto integrados como discre-tos. Allí donde se requiera un amplificador de eleva-da potencia y pequeño tamaño, enseguida se piensaen un amplificador digital.

En el momento actual de la electrónica, todo fun-ciona en forma digital, salvo la etapa más utilizada enlos equipos electrónicos: el amplificador de potenciade audio.

Cap 1 Club 70 12/7/10 3:38 PM Página 3

¿Por qué decimos el equipo más usado?

Miremos los equipos que nos rodean. Práctica-mente todos, aunque estén dedicados al video o a lainformática, tienen un amplificador de potencia deaudio y un parlante.

En los TVs, mientras eran a TRC (tubo de rayoscatódicos), las etapas de video eran analógicas porqueel tubo era analógico. Pero con la llegada de los LCDsy los Plasma toda la sección de video ya es digital. Loprimero que se hace con las señales de entrada analó-gicas es mandarlas a una plaqueta conversora que lastransforma en datos y después nunca más se vuelvena transformar en señales analógicas hasta llegar a lapantalla. Allí hay todavía algunos procesos analógi-cos pero prácticamente pasan desapercibidos. El pro-blema es que el ser humano es analógico y en algúnlugar del equipo debe retornar a ese mundo. Cuandomás tarde se retorna, más digital se puede consideraral equipo.

En audio se puede volver tan cerca del oído hu-mano que ya se puede considerar que no hay posibi-lidades de mejora; salvo el conector cerebral del cualya se están realizando pruebas. En algún momento losingenieros podremos olvidarnos de los parlantes y laspantallas.

Cuando nazca un humano se le colocará un co-nector adecuado para el video y otro para el sonido yterminamos de una buena vez con las distorsiones deesas viejas pantallas de LCD y plasma y con los par-lantes digitales que aún no se popularizaron pero queya queremos olvidar. Digital desde el autor al usuario.Observe que no mencioné al editor porque junto conla digitalización es muy probable que el mismo autorse encargue de la producción de su obra. Hace la obraen su PC y luego la autoriza para su venta por Inter-net o alguna otra red que aún no se creó. El compra-dor la podrá dejar en su PC o pasarla a algún sistemaportátil de memoria masiva que se conecte a su puer-to cerebral.

¿Ciencia ficción?

No, estamos muy cerca de ese mundo con puertoscerebrales; mucho más cerca de lo que Ud. supone yes muy probable que hasta un viejo escritor como yo,de 63 años pueda llegar a ver todo esto convertido enrealidad, antes de ver crecer las plantas desde abajo.

En esta miniserie aún no veremos los puertos ce-rebrales ni al autor vendiendo su obra; pero llegare-mos lo más cerca posible. En principio con los nue-vos discos digitales (CD, DVD, Blu ray y DVD HD)y con las memorias para guardar MP3 y MP5, la in-formación ingresa a los equipos digitalizada. No sondatos de audio PCM (Pulse Code Modulation) que eslo que entienden los amplificadores digitales desde laépoca en que se comenzaron a usar con el Minidisc.PCM es la información que Ud. puede encontrar en lasalida óptica de los equipos de audio (la tienen hastalos viejos AIWA 330) y salvo por el hecho de que losdos canales están saliendo por la misma vía con uncódigo que los identifica, luego todo se resume a unnúmero binario que representa muestras de audio de16 bits.

Para comenzar esta serie vamos a realizar un re-paso sobre todos los tipos de amplificadores utiliza-dos hasta la actualidad, para llegar a los más moder-nos con un conocimiento histórico adecuado.

El amplificador, en un sistema de audio, será elencargado de amplificar la entrada hasta un cierto ni-vel, capaz de manejar el parlante de manera que el so-nido pueda ser escuchado con una presión sonoraadecuada al espacio a sonorizar. Cuando estos espa-cios son grandes, la cantidad de presión necesaria ne-cesita de grandes cantidades de potencia eléctrica quedebe suministrarse a los altavoces, siguiendo la refe-rencia de la señal de audio original.

En estos casos se precisan amplificadores capa-ces de controlar el parlante de la manera más precisaposible, a la par de suministrar la potencia requerida,respetando en todo momento la dinámica propia delprograma musical.

Tradicionalmente se han empleado amplificado-res donde el transistor de potencia opera en su zona li-neal, pero conseguir potencias elevadas trabajando deesa forma es poco más que imposible y muy caro. Losamplificadores digitales tienen llaves de potencia quesólo se abren y cierran. Y esto es lo ideal cuando serequieren potencias elevadas porque no hay casi disi-pación en las llaves si éstas son suficientemente rápi-das.

En esa serie vamos a explicar lo más moderno delaudio digital.

Digital desde el disco o la memoria hasta el oído

AMPLIFICADORES DE AUDIO DIGITAL

4CLASIFICACION DE LOS AMPLIFICADORES DE AUDIO


que, aunque es analógico, se puede utilizar como con-versor D/A.

Para comenzar vamos a los amplificadores clási-cos en un corto repaso. Estas son algunas de las topo-logías más utilizadas.

AMPLIFICADORES EN CLASE A

En esta modalidad todos los elementos activos dela etapa de salida se encuentran conduciendo en suzona lineal, durante la amplificación. Se emplean enequipos HI-FI donde el rendimiento no es importan-te, dado que presentan una distorsión armónica muyreducida. Fue el circuito preferido para las viejas au-torradios sin pasacassettes ni reproductor de CD. Só-lo radio de AM, FM y un amplificador formado por

un preamplificador con carga atransformador y un transistor de sa-lida también con transformador queadaptaba la impedancia de parlantea la impedancia de colector deltransistor.

En la actualidad un amplifica-dor de este tipo tendría un valorprohibitivo por los elementos bobi-nados ya que los mismos requierenel trabajo de un ser humano (sonmuy difíciles de construir con má-quinas robotizadas). Se prefierenlos circuitos integrados, inclusivelos híbridos, porque se fabrican conmáquinas ensambladoras automáti-cas y componentes SMD y luego seprueban con máquinas automáticasy software para PC. En aquella épo-ca también se los prefería porque suconsumo es constante y si la cone-xión a la batería no es buena sólo sepierde algo de potencia, pero la ra-dio sigue funcionando sin proble-mas de fuente común.

Para que el lector pueda realizaralguna prueba vamos a tratar un cir-cuito que se utiliza normalmente

para excitar pequeños parlantes. Salvo por la poten-cia, la experiencia es válida porque el transistor repe-tidor funciona en clase A.

En la figura 1 se puede observar un amplificadorclase A tipo emisor común simplificado.

AMPLIFICADORES EN CLASE B

En el amplificador en clase B se emplean dos ele-mentos activos en la etapa de salida, de manera quecada uno de ellos conduce tan sólo en el semiciclo po-sitivo o negativo de la señal de entrada. De esta ma-nera se consigue un mejor rendimiento debido a queel transistor tan sólo conduce durante el 50% del ci-clo completo, pero con mayor distorsión originadapor la zona de transición por cero o “crossover”.



Figura 1


La figura 2 muestra unamplificador clase B sim-plificado

AMPLIFICADORES

EN CLASE A-B

En esta configuraciónse permite que los dostransistores de la etapa desalida conduzcan al mis-mo tiempo, durante unbreve instante de tiempo,para evitar la distorsión enlos cruces por cero. Dadoque puede alcanzarse unrendimiento mayor que enclase A con menor distor-sión que en clase B, es elmás comúnmente usado.La figura 3 muestra unamplificador clase ABsimplificado.

AMPLIFICADORES

EN CLASE C

No se utilizan prácticamente en amplificadores deaudio, salvo para los megáfonos portátiles en dondela distorsión puede ser muy elevada pero el consumodebe ser bajo. Su aplicación son los amplificadores depotencia sintonizados de RF que se usan en los trans-misores de radio y TV analógicos y digitales.

AMPLIFICADORES EN CLASE H

En estos tipos de amplificadores se dispone de dosniveles de alimentación distintos que permiten evitarlas pérdidas en los elementos activos cuando el ampli-ficador no trabaja a plena potencia. Estos amplificado-

res presentan las ventajas de los amplificadores en cla-se AB respecto a distorsión armónica y aumentan elrendimiento hasta un 70%~80%. En la actualidad sonmuy valorados en el mundo del audio profesional. Pa-ra muchos autores estos amplificadores son los claseD, ya que aparecieron en el mercado luego de los declase AB y la letra C ya se empleaba para los amplifi-cadores de RF.

AMPLIFICADORES EN CLASE D

El amplificador en clase D emplea elementos ac-tivos trabajando en corte o en saturación, es decir queel transistor de salida es una llave abierta o cerrada ypor lo tanto teóricamente no disipa energía. En reali-dad las llaves no son perfectas y por lo tanto disipan



Figura 2


algo de energía, pero siempre mucho menos que untransistor trabajando en clase A, B o inclusive C.

En realidad, el problema del consumo de energíano es lo que más le importa al fabricante porque esaenergía la paga el usuario. Su interés es reducir el ta-maño de los disipadores y poder usar transistores máschicos, con lo cual puede achicar el tamaño total delos equipos. También es posible mantener el tamañodel equipo, los disipadores y los transistores y aumen-tar la potencia de salida.

Como parecen todas ventajas y ninguna desventa-ja, el lector seguramente se preguntará por qué no es-tán más difundidos los amplificadores digitales claseD. Y la verdadera razón es que, lamentablemente, in-cluyen un inductor de potencia en el filtro de valormedio de salida y ese inductor debe manejar toda la

corriente de salida del equi-po. Además las llaves de po-tencias deben ser muy rápi-das y entonces se tornan ca-ras.

De todos modos, es unatecnología que no está muydifundida pero se empleasobre todo en los amplifica-dores para buffers. Con re-ferencia a las topologíasempleadas hasta ahora, elamplificador clase D au-menta el rendimiento nota-blemente hasta valores su-periores al 90%. Esto per-mite realmente diseños máscompactos y menos pesa-dos. El empleo de una reali-mentación es muy impor-tante para conseguir nivelesde distorsión armónica si-milares a los diseños tradi-cionales. La figura 4 mues-tra un amplificador clase Dsimplificado.

En este tipo de amplifi-cador, la señal de audio escodificada como PWM(modulación de ancho depulso) de manera que la in-

formación de amplitud y frecuencia está contenida enel ciclo de trabajo de la conmutación de los transisto-res de la etapa de potencia. Si Ud. lo necesita puedeleer el apéndice sobre señales PWM.

Los bloques que forman el amplificador son lossiguientes:

A) Etapa de entrada

En esta etapa se encuentra el control de ganancia,(antiguo control de volumen a potenciómetro, actual-mente reemplazado por un juego de dos pulsadores).Además se incluye un filtro pasa bajos para evitarinestabilidad del lazo de control en la reproducciónde frecuencias mayores a 20kHz y por último el des-balanceador que polariza la salida alrededor de una



Figura 3


tensión continua que comparada con la provenientede la salida, a través de la red de realimentación ope-ra como polarización de la salida en caso de que la sa-lida requiera un valor de polarización distinto de ce-ro.

B) Etapa de Control

Para mejorar la THD (distorsión armónica total)del sistema, se utiliza un lazo cerrado de realimenta-ción negativa. Este lazo, al realimentar la tensión desalida, compensa las imperfecciones de la etapa depotencia. Este bloque es el encargado de anular loserrores entre la referencia (señal de entrada) y la se-ñal de salida al parlante. La diferencia con un ampli-ficador clásico es que la realimentación debe estar fil-trada con un circuito desplazador de fase para com-

pensar el desplazamiento de la misma producido porel filtro de salida.

Con operacionales, la etapa de realimentación esel clásico restador donde una de las señales es la se-ñal de entrada al amplificador y la otra que ingresapor la entrada inversora, es la realimentación que pre-viamente pasó por un filtro compensador de fase. Lafigura 5 reproduce el circuito de un restador de reali-mentación y filtro compensador de fase.

Para los que entienden de matemáticas, la funciónde transferencia de la etapa compensadora de fase pa-ra señales pequeñas es la siguiente:



Figura 4

Figura 5


El ajuste del polo, el cero y la constante de inte-gración es el siguiente:

Puede realizarse el ajuste mediante la técnica de“Loop-Shaping” para que el sistema sea estable, em-pleando el diagrama de Bode y cumpliendo el criteriode estabilidad de Nyquist.

Si Ud. no desea diseñar un sistema, sino sólo en-tender su funcionamiento, le decimos que un amplifi-cador clase D tiene un filtro de salida que provoca unretardo de las señales de audio de alta frecuencia quellegan al parlante. Ese retardo es inaudible porque eloído escucha cada frecuencia de la señal de audio porseparado 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 diapasonescortado cada uno con un uno por ciento de diferenciaen la frecuencia de resonancia respecto del siguiente;cuando un diapasón vibra, el nervio auditivo lo reco-noce y le avisa al cerebro que entró una señal con unafrecuencia y una amplitud determinadas.

Si tomamos una muestra de la salida y la reali-mentamos para compararla con la entrada, el desfasa-je toma una importancia fundamental porque a dife-rencia del oído, el comparador reacciona a los desfa-sajes de las distintas componentes de la señal de au-dio. Por esa razón la señal realimentada debe proce-sarse en fase antes de la comparación, ya que no ha-cerlo significa provocar una distorsión, en lugar decorregirla. Lo que se atrasó en el filtro del parlante sedebe adelantar en la red de realimentación.

C) Generador PWM

Es el encargado de generar la señal PWM a partirde la señal moduladora (audio de entrada) y la porta-dora que se genera intrínsecamente. Se emplea como

portadora una señal triangular con una frecuenciacomprendida entre 200kHz y 400kHz, y como modu-ladora la señal de salida de la etapa de realimenta-ción. El modulador se realizará con un operacional oun comparador, capaz de manejar la frecuencia de laseñal portadora. En principio parecería que la fre-cuencia podría hacerse más alta para facilitar el dise-ño del filtro de salida. Pero diseñar una llave de po-tencia que trabaje eficientemente a 400kHz no es sim-ple, por eso se prefiere utilizar una frecuencia más ba-ja aunque el filtro resulte más voluminoso.

D) Semipuente

Está formado por dos transistores llave. Uno seconecta a la fuente negativa y otro a la positiva. Sehan empleado transistores MOSFET de potencia decanal N (lo que permite un diseño más eficiente yeconómico) alimentados mediante una fuente de CC,correctamente desacoplada para evitar el efecto de“pumping” (bombeo) inherente al modo de funciona-miento del amplificador en clase D (las llaves sóloconsumen energía en la conmutación y por lo tantopresentan picos de corriente a ritmo de la portadoraque deben ser filtrados con una combinación de elec-trolíticos, capacitores de polyester metalizado y capa-citores cerámicos).

En la figura 4 sólo se dibujó un capacitor pero re-cuerde que éste representa 3 capacitores; si sólo usá-ramos un electrolítico, éste filtraría las bajas frecuen-cias, pero a 200kHz o 400kHz se comporta con unainductancia considerable. Un capacitor de polyestermetalizado seguramente filtrará esas componentes deuna centena de kHz. Pero la portadora PWM es unaseñal rectangular de flancos muy abruptos y hay queasegurarse un buen filtrado, tal vez hasta frecuenciasde 100 o 1.000 veces la frecuencia fundamental. Aesas frecuencias sólo puede funcionar un capacitorcerámico disco.

En realidad, el buen filtrado no mejora la distor-sión de la salida; pero su uso es fundamental para evi-tar la emisión de interferencias. Es decir que, en rea-lidad, lo que estamos diseñando es un filtro EMI quefavorece tanto al propio equipo como a equipos veci-nos.

En efecto, lo más probable es que con un filtradoinadecuado se produzcan oscilaciones en la banda deAM cuando se levanta el volumen.




E) Filtro de salida

Un diseño correcto del filtro de salida presentamúltiples ventajas, como por ejemplo limitar el consu-mo de corriente (recuerde que por el inductor circula lacorriente de salida y que ésta puede ser de 10 ó 20A, siel inductor no tiene el tamaño adecuado se calentará yesa energía térmica sólo puede salir de la fuente de ali-mentación); minimizar la irradiación del ruido de con-mutación (EMI) y proteger al parlante de los armóni-cos de alta frecuencia debidos a la conmutación. Estosarmónicos deben ser suficientemente atenuados, laamplitud de la portadora después del filtro, debe sercomo máximo un 5% de la amplitud del primer armó-nico, pero sin reducir la banda pasante de audio de mo-do no se vea modificada ni en amplitud ni en fase, porlo menos hasta 20kHz.

De los distintos tipos de filtros (Chebyshev, But-terworth y Bessel), se prefiere un filtro tipo Butter-worth LC de segundo orden, dado que presenta unarespuesta muy plana en la banda pasante, resonanciaamortiguada en la frecuencia de corte (entre 15kHz y25kHz en función de la frecuencia PWM), y por últi-mo un número limitado de componentes.

Si Ud. sabe de matemáticas puede utilizar las si-guientes fórmulas para calcular los valores de L1 yC1 del filtro en función de la resistencia del parlante.

F) Protecciones

Las más importantes son contra sobrecorriente,contra sobretensión y contra CC circulando por elparlante. Éstas protecciones actuarán sobre la etapade modulación, impidiendo la conmutación a ON delas llaves a transistor en caso de error.

G) Ganancia de realimentación (ß)

Esta ganancia permitirá adaptar el nivel de la ten-

sión de salida de manera que una parte de ella puedaser introducida en el lazo de control. Es decir que laganancia del lazo de realimentación es uno de los pa-rámetros más importantes, porque en principio permi-te ajustar la sensibilidad del amplificador para lograrque funcione a máxima potencia con la señal de en-trada nominal.

SEÑALES PWM

Los microprocesadores, microcontroladores ycualquier CI que emplee técnicas digitales son com-ponentes específicamente digitales y por lo tanto esdifícil hacerlos operar con señales analógicas; o me-jor dicho es caro, porque debe tener dos tecnologíasmezcladas en su chip. Cuando se trata de una entradaanalógica, por lo general el microprocesador posee unconversor analógico digital que transforma la señalesapenas ingresan en el dispositivo. Pero cuando se tra-ta de una salida se recurre a la utilización de señalesPWM que realizan la adaptación entre el mundo ana-lógico y el mundo digital de un modo extremadamen-te sencillo; tan sencillo que sólo se requiere un resis-tor y un capacitor para transformar una señal digitalen otra analógica.

Un circuito con un resistor en serie con la señal yun capacitor a masa, recibe diferentes nombres deacuerdo al uso que se le da.

Puede ser un filtro de corte de agudos en un equi-po de audio; un filtro integrador en un TV o un filtrode valor medio en instrumentación. Avanzando en latécnica, el filtro RC pasó, en el momento actual, a te-ner su uso más común que es el filtrado de señalesPWM en equipos en donde se combinan técnicas ana-lógicas con técnicas digitales. Un TV por ejemplocontiene una innumerable cantidad de filtros PWM yaque se los utiliza para todos los ajustes de usuario co-mo por ejemplo el brillo, el contraste, el volumen, etc.El microprocesador del TV genera una onda rectan-gular con un tiempo de actividad que varía con lospulsadores frontales o del control remoto.

El jungla no interpreta señales PWM; sólo inter-preta estados lógicos que por lo general son tensionescontinuas que varíen entre menos de 2 y más de 4V.Por lo tanto se impone el uso de un filtro de valor me-




dio para convertir el idioma PWM del micro en elidioma de tensión continua del jungla. En la figura 6se muestran tres casos particulares de una señalPWM, en donde se observa un período de actividadbajo, uno medio y uno alto con un laboratorio virtualWB 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

microprocesador que poseeun juego de instrucciones, unhardware y un software opti-mizados para aplicacionesque requieran operacionesnuméricas a muy alta veloci-dad.

Debido a esto es espe-cialmente útil para el proce-sado y representación de se-ñales analógicas en tiemporeal: en un sistema que traba-je de esta forma (tiemporeal) se reciben muestras(samples en inglés), normal-mente provenientes de unconversor analógico/digital(ADC); estas muestras seprocesan matemáticamente yposteriormente se las con-vierte en señales analógicasen la salida.

Ya dijimos que un DSPpuede trabajar con señalesanalógicas, pero es un siste-ma digital, por lo tanto ne-cesitará un conversor analó-gico/digital a su entrada yun digital/analógico en lasalida. Como todo sistemabasado en un procesadorprogramable necesita unamemoria donde almacenar

los datos con los que trabajará y el programa que eje-cutará.

Si se tiene en cuenta que un DSP puede trabajarcon varios datos en paralelo y un diseño e instruccio-nes específicas para el procesado digital, se puede daruna idea de su enorme potencia para este tipo de apli-caciones.

Estas características constituyen la principal dife-rencia de un DSP y otros tipos de procesadores. Paraadentrarse en su funcionamiento se pondrá el ejemplode un filtro: el DSP recibe valores digitales o samplesprocedentes de la señal de entrada, calcula qué salidase obtendrá para esos valores con el filtro que se le haprogramado y saca esa salida.



Figura 6


Un posible sistema basado en un DSP se puedeobservar en la figura 7.

En un sistema digital las señales analógicas seconvierten en números binarios al ritmo de la señal declock del sistema. Cada ciclo de clock se transmite unbit (0 o 1) del número binario. De acuerdo a la canti-dad de cifras del número binario transmitido se pue-de generar una diferente cantidad de valores analógi-cos. Si se transmite una palabra de un solo bit, es evi-dente que la señal analógica sólo podrá tener dos es-tados 0 o 1 y la transmisión será groseramente distor-sionada. Por ejemplo si debemos transmitir una ondatriangular que varía de de 0 a 1V de pico en 2ms(500Hz); se decodificará una señal cuadrada ya quesólo se pueden transmitir dos estados (21 = 2) ; a sa-ber 0 o 1. Si la salida es PWM se obtendrá una PWMdel 100% de período de actividad y luego otra de 0%al ritmo de la onda triangular (1/2 ciclo en alto y me-dio en bajo es decir 1ms en 1 y 1ms en 0).

Si se transmite una palabra de dos bit existen cua-tro combinaciones posibles de estados alto bajo (4 pa-labras posibles de dos cifras es decir 22 = 4) a saber:

00 01 10 11

En este caso la onda triangular decodificada pue-de tener peldaños a 0V 0,33V 0,66V y 1V. Todavíahay una distorsión grosera pero por lo menos se vis-lumbra la forma de señal transmitida. Además ya sepuede aplicar el concepto de salida PWM. En este ca-so la salida será una onda rectangular con un períodode actividad de 0%, 33%, 66%, o 100% en donde ca-da escalón dura 500µs.

En la práctica, las transmisiones son como míni-mo de 8 bits lo cual permite generar 28 = 256 valoresanalógicos diferentes de la señal decodificada. Aquíla señal de salida no tiene una distorsión grosera perotiene una distorsión. La señal original tiene, teórica-mente, todos los valores posibles entre 0 y 1 en tantoque la señal de salida es una escalera donde cada pel-daño tiene 1/256 = 4mV. No pueden existir escalonesintermedios a 4mV, 8mV, 12mV, 16mV,......... hasta992mV, 996mV, 1000mV. Esta distorsión recibe elnombre de ruido digital o distorsión de cuantificación

En realidad los valores instantáneos de una trans-misión analógica no pueden ser infinitos, porque todatransmisión posee un ruido propio que debe conside-rarse como una indefinición en el valor a decodificar.

Si un sistema analógico tiene un ruido del 2% (real-mente muy bajo) y desea transmitir una onda triangu-lar de 1V, en realidad los valores decodificados pue-den tener un error debido al ruido de +2mV o –2mVy estamos en el mismo caso que la transmisión digi-tal a 8 bits.

El ruido analógico correspondiente a un sistemadado no puede ser reducido mas allá de un dado va-lor. No importa qué tan caros sean los componentesusados, el ruido térmico tiene un límite mínimo teóri-co que no puede superarse. En cambio el ruido digi-tal de un sistema puede hacerse tan pequeño como sedesee, transmitiendo palabras más largas.

Por ejemplo si transmitimos palabras de 16 bits seobtienen 216 = 65.536 escalones de 1/65.536 = 15µVque equivalen a un ruido de 0,002% aproximadamen-te. Estos valores no son teóricos, el sistema CD utili-za palabras de 16 bits y es un sistema bien práctico yeconómico.

El sistema de 16 bits se puede mejorar, pero re-cuerde que los bits de una palabra no se transmiten to-dos juntos, ya que sólo hay una vía de comunicación.Los bits se transmiten uno después de otro y se guar-dan en una memoria hasta completar los 16 bits; re-cién después se puede leer el valor transmitido. Estosignifica que la velocidad de transmisión disminuyeal transmitir palabras más largas. Como la velocidadde procesamiento del decodificador no es infinita, es-to significa que el tiempo entre muestras de la señalanalógica se hace mayor y entonces sólo se podrántransmitir frecuencias de modulación cada vez másbajas. El valor de 16 bits del sistema CD, permitetransmitir muestras a una frecuencia de muestreo deunos 40kHz que permite la transmisión de frecuen-cias de audio de hasta 20kHz.



Figura 7


DIGITALIZACION DE LA SEÑAL

13BASES DE LA DIGITALIZACION DE SEÑALES

Digitalización de la SeñalGG ENERACIONENERACION DEDE PWM PWM AA PPARTIRARTIR DEDE UNAUNA SS EÑALEÑAL AA NALOGICANALOGICA

Hemos explicado cómo se puede realizar un am-plificador digital por PWM pero no indicamos có-mo se genera, en la práctica, una PWM partien-

do de una señal analógica. En este capítulo vamos asugerir algunos simples circuitos prácticos que el lectorpodrá simular o construir realmente.

La solución de cómo digitalizar un amplificador uti-lizando señales PWM es una solución a medias, peroes lo que se está empleando en la actualidad y debe-mos conocer el método antes de explicar algo máscompleto.

¿Por qué digo una solución a medias? Porque la sección digitalizada es mínima. El

preamplificador sigue siendo tan analógico comosiempre y algo más complejo de realizar porque como explicamos en la entrega anterior, el filtro de laetapa PWM genera un retardo de fase que debe ser compensado en la señal realimentada desde la sa-lida, 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 pérdidaspor efecto Joule (disipación en las resistencias internas de los transistores de potencia) pero aparecenlas pérdidas en el inductor del filtro y debemos entonces construir un componente enorme y pesado pa-ra manejar potencias considerables.

¿Qué tipo de construcción física tiene un filtro PWM? ¿Tendrá muchas vueltas de alambre fi-no o pocas vueltas de alambre grueso? ¿Usará hierro laminado?

En principio podemos decirle que su resistencia interna debe ser mucho menor que la resistencia delparlante 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 some-tido a la señal PWM que como sabemos es de una frecuencia de 50KHz aproximadamente y con formarectangular. Será un transformador más parecido a un transformador de pulsos de TV pero de mayor ta-maño, aunque todo depende de la potencia que se le está aplicando al parlante. Si Ud. está pensandoque además van a aparecer las distorsiones debidas a la curva de histéresis del hierro, lo vamos a tran-quilizar, porque no tiene mayor importancia la linealidad del inductor de filtro.

MODULACION ANALOGICA Y MODULACION DIGITAL

Uno de los mayores atractivos del amplificadoren clase D es que su funcionamiento puede conside-rarse (con ciertas reservas) como digital, ya que laamplificación de la señal de audio se lleva a cabomediante el muestreo de la señal analógica, obtenien-do una codificación por ancho de pulso (también lla-

mada cuantización de 1 bit como para complicar unpoco más la cosa). En general, esta codificaciónPWM se lleva a cabo de forma analógica mediante lacomparación de la señal de entrada con una señaltriangular de frecuencia mucho mayor que la fre-cuencia máxima de la señal de audio, de manera quepuede evitarse el fenómeno de “aliasing” (batido delas altas frecuencias de la señal de audio con la fun-damental de la PWM).


Dado que los sistemas actuales de so-porte y reproducción de audio están basa-dos en procesos digitales (CD, DVD etc.),es preciso convertir primero los datos digi-tales del disco, al mundo analógico parapoder llevar a cabo la amplificación clase“D”. El empleo de convertidores D/A aña-de distorsión a la señal de audio, por lo queun preamplificador y una etapa de potenciacuidadosamente diseñada pueden resultarinútiles frente a un conversor D/A de malacalidad. La ventaja del amplificador en cla-se D es que la señal digital de entrada pue-de ser amplificada sin la necesidad de con-vertidores, mediante el empleo de distintastécnicas de conversión PCM a PWM. Enesta conversión es muy frecuente el empleode técnicas de “noise shaping” para reducirel ruido debido a la cuantización de la se-ñal, lo que mejora la distorsión armónicatotal de manera significativa. Esta técnicase basa en una ecuación determinística queemplea un cuantizador fino embebido enun lazo de realimentación, para conseguiralterar la distribución del ruido de cuantiza-ción inherente a la señal digital, con el finde obtener una menor distorsión de cuanti-ficación. Mediante el empleo de un DSP esposible integrar en un solo dispositivo elproceso digital habitual (filtros, retardos, crossovers,etc) y la amplificación sin la necesidad de emplearconvertidores D/A, es decir pasando directamente dePCM a PWM. Ver la figura 1. Como se puede obser-var en los equipos clásicos de CD (el AIWA330 es elmás conocido) la señal original grabada en el discocon el código de CD se decodifica y se transforma enla clásica señal estereofónica digital o señal PCMque se puede obtener en el conector óptico, utilizadopara conectar un amplificador estereofónico con en-trada digital del tipo de los utilizados por los equiposde minidisc de Sony.

FILTRO PWM REAL

En la entrega anterior le indicamos las fórmulaspara calcular el filtro PWM. A continuación vamos a

resolver un caso práctico de un amplificador de au-dio (para un parlante de 8 Ohm), de banda completautilizando dichas fórmulas:

L1 = (1,41 . 8) / (6,28 . 20.000) = 89,8µHy

C1 = 1 / (8,85 . 20.000 . 8) = .7 10-6 = .7µF

Estos valores se pueden llevar a un simuladorElectronics Workbench Multisim para verificar elfuncionamiento con un generador de onda rectangu-lar de 100kHz. Ver figura 2.


14GENERACION DE PWM A PARTIR DE UNA SEÑAL ANALOGICA

Figura 1


Se puede observar que la primer armónica de laportadora tiene una amplitud de pico 500mV aproxi-madamente cuando la portadora tiene 10V de pico,es decir un 2,5% que es un valor aceptablemente ba-jo para el parlante.

EL MODULADOR PWM CON FILTRO REAL

Comenzaremos a estudiar circuitos para que lospueda armar y probar. Le recordamos que son todoscircuitos experimentales creados por el autor, por loque su comentario puede contribuir al mejoramientode los mismos. Ud. puede observar simplemente es-

te capítulo, pero la idea del au-tor al realizarlo es que arme lassimulaciones y las pruebe. SiUd. es alumno de un industrialde electrónica, insista a susprofesores para que juntos rea-licen las simulaciones. Lo queUd. puede aprender realizandolas simulaciones es infinita-mente mayor a lo que puedeaprender leyendo el artículosimplemente.

La figura 2 que utilizamospara probar el filtro nos puederesultar muy didáctica para en-

tender el funcionamiento del amplificador PWM. Laseñal del generador es una señal rectangular de am-plitud constante.

¿Cómo puede ser entonces que opere como fuen-te de información de audio en un sistema real?

Porque cambia el tiempo de actividad de acuerdoal sonido.

Imaginemos que Ud. quiere escuchar una señalmuy sencillita. Un tono de audio de 1kHz de bajaamplitud. El modulador genera una portadora de porejemplo 100kHz y comienza a cambiarle el tiempode actividad de modo que varíe por ejemplo de 40%a 60% en 1ms (que es el período de una señal de1kHz) pasando por todos los valores intermedios, in-

cluyendo el 50% del tiempode actividad, que es cuandola sinusoide de 1kHz pasapor cero. Para entender per-fectamente el concepto, va-mos a simular el circuito delmodulador al que vamos acargar con un filtro sencillotipo RC para conectar multí-metro digital que mida la sa-lida filtrada. Ver la figura 3.

Comencemos explicandoque un comparador es un CIanalógico que detecta cuan-do la entrada (+) es más altaque la entrada (-) generandoun estado alto en su salida



Figura 2

Figura 3


que es del tipo a colector abierto (la resistencia decarga debe ser externa, en nuestro caso es R1 conec-tada a +18V).

Ahora observe que la pata(+) está conectada a un genera-dor de diente de sierra de100kHz con un período de acti-vidad del 50% y la pata (-) estáconectada al cursor de un poten-ciómetro cuyos extremos estánconectados a +1V y -1V; el cur-sor tendrá, por lo tanto, un poten-cial nulo cuando está en la mitadde su recorrido, que es el casomostrado. Como el diente de sie-rra es de CA, la mitad del tiempola tensión de la entrada (+) estápor arriba de cero y la otra mitadestá por abajo. En el oscilosco-pio se observa la señal de salida,que es una cuadrada con picos de+18V y -17V ya que el transistorinterno al saturarse queda a 1V.

¿Cuál es el valor medio deesta señal?

Prácticamente cero, si nofuera por el problema de la ten-sión de saturación. Observe elmultímetro y la forma de señalen la entrada B del osciloscopio.El oscilograma indica un peque-ño ripple debido a que no quisi-mos poner un valor muy grandede C para agilizar la simulación.

¿Para qué sirve el potenció-metro?

Para recortar el diente de sie-rra de la pata positiva en diferen-tes lugares y así generar unaPWM con un valor medio distin-to de cero. En la figura 4 se pue-de observar las dos señales deentrada y el resultado sobre la sa-lida.

Nota: en el osciloscopio de cuatro canales se des-plazaron los ceros de los canales A y B a la primer lí-nea de la cuadrícula, empezando desde arriba, y los



Figura 4 -Potenciómetro al 75%.

Figura 5 -Potenciómetro al 25%.

Figura 6 - Señal alternade 1KHz con base de

tiempo rápida.


canales C y D a una línea por debajo del centro. Ob-serve que la tensión continua del potenciómetro co-locado al 75% corta al diente de sierra en forma asi-métrica y genera, por lo tanto, una señal de salidarectangular con un semiperíodo positivo corto y unsemiperíodo negativo largo. El valor medio sobre C1queda prácticamente a un valor de -7,5V medidos enel osciloscopio, o exactamente -7,67V indicados porel multímetro.

A continuación mostramos el caso inverso, o seamoviendo el potenciómetro al 25% de su valor máxi-mo, obteniendo las señales de la figura 5.

En este caso se puede observar que el recorte deldiente de sierra ocurre por debajo del centro, de mo-do que la señal de salida es rectangular pero con unsemiperíodo positivo largo y un semiperíodo negati-vo corto. Esto implica un valor medio positivo de7,15V.

¿Qué utilidad práctica tiene este circuito?

Prácticamente ninguna, pero tiene un gran valordidáctico porque a continuación vamos a reemplazarel potenciómetro por una señal senoidal de 1kHz y aobservar las salidas. Ver la figura 6.

Prácticamente no se puede observar diferencia al-guna en una figura estática pero en la simulación sepuede observar que el punto de corte del diente desierra sube y baja a un ritmo de 1kHz y que el perío-do de actividad de la salida del comparador cambia

de un mínimo a un máximo. Si modificamos la basede tiempo del osciloscopio para que se pueda obser-var la señal de 1kHz se obtiene lo indicado en la fi-gura 7. Aquí se puede observar que el valor medio dela salida varía con la misma forma de señal que la en-trada por la pata negativa, salvo un pequeño resto deportadora de 100kHz que no molesta por ser inaudi-ble.

¿Qué conclusiones podemos sacar de todo esto?

Que una señal senoidal se puede descomponer enuna PWM y luego volver a reconstruirla sin produ-cirle distorsión. Y esto significa que puedo realizaruna amplificación de potencia tomando la señal delmodulador y colocándola en una llave a mosfet de al-to rendimiento que teóricamente debería trabajar to-talmente fría si no tuviera pérdidas de conmutación.Posteriormente se debe pasar esta señal por un filtroy aplicarla al parlante.

Fácilmente se podría utilizar un MOSFET de ca-nal N de 32A como el IRF540 y aplicarlo a una fuen-te de +250V y un MOSFET como el IRF9540 y apli-carlo a una fuente de -250V. Con un parlante de 8Ohm obtendríamos una potencia de (250.0,703)2/8 =3800W (reales, no PMPO). Por supuesto, en la reali-dad el problema no es tan sencillo porque un filtropara una corriente de 30A no es moco de pavo y losMOSFET en realidad se calientan cuando conducenporque pueden tener una resistencia interna de 0,2Ohm y cuando circulan 40A por 0,2 Ohm se disipan

80W (40 en cada MOSFET)y no es fácil evacuarles elcalor generado.

De cualquier modo,cuando se trata de hacer am-plificadores de más de200W es conveniente recu-rrir a los amplificadores di-gitales porque además sonmucho mas fáciles de prote-ger. Lo mismo cuando se re-quiere un elevado rendi-miento aunque no se necesi-te una gran potencia, comopor ejemplo en los equipospara publicidad móvil enauto o en avión.



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


LLAVES PWM CON TRANSISTORES

Si le cargáramos nuestro filtro real al LM139E notendríamos ningún resultado, porque su resistenciade salida es la que nosotros colocamos entre la sali-da y fuente, que es de unos 220 Ohm como mínimoy no admite la carga de un filtro de 8 Ohm. La salidadel comparador debe ser reforzada y el refuerzo de-pende de la potencia del equipo que Ud. desea dise-ñar.

Si se trata de media potencia, se pueden utilizarsimples transistores Darlingtons complementariosque es lo que vamos a indicar a continuación en la fi-gura 8. Si se trata de alta potencia, estos transistoresse transforman en excitadores de un par de MOS-FETS es decir que el circuito realmente no cambiamucho, sólo se le agregan etapas. Si Ud. observaatentamente la figura no va a tener inconveniente enreconocer algunas secciones clásicas y otras nuevaspero que ya presentamos en este artículo.

A la izquierda está el modulador PWM y a la de-recha el filtro para carga de 8 Ohm. En el centro te-nemos una clásica etapa de salida de simetría com-plementaria con transistores Darlington complemen-tarios compensados en temperatura por una serie dediodos 1N4148.

Q3 funciona cuando la tensión de salida del com-parador es superior a cero. Q4 cuando es inferior. Co-mo ambos tienen una disposición en colector común,la resistencia de salida esmuy baja e igual a la resis-tencia de carga del compa-rador (R3) dividido por elbeta del transistor, que porser un Darlington puedeestimarse como 500 de va-lor promedio. Esto signi-fica que la resistencia desalida del par es de aproxi-madamente 1000/500 = 2Ohm.

Los diodos se colocanpara compensar las barre-ras internas de los Dar-lingtons. Como cada unoposee dos barreras en serie

se deben colocar 4 diodos. Si las bases simplementese unieran, el circuito funcionaría pero con una im-portante distorsión cuando la salida atraviesa el ceroo cambia el sentido de la circulación de corriente.

En efecto, hasta que la salida del comparador nollegue a 1,2V el transistor Q3 no conduciría. Y lomismo ocurre cuando la tensión baja hasta -1,2V mo-mento en que conduce Q4. Entre -1,2 y +1,2 no con-duciría ninguno de los dos transistores y la salida ten-dría una discontinuidad. Colocando los diodos elproblema se soluciona. Imagínese que la salida delcomparador está en -2V y por lo tanto está condu-ciendo Q4. Si esta tensión comienza a acercarse a lade masa en determinado momento la base de Q4 es-tará a -1,2V, pero debido a los diodos la base de Q3estará por conducir porque ya tiene 1,2V. Es decirque apenas corta Q4 comienza a conducir Q3 y nohay discontinuidad en el funcionamiento.

¿Cuál es la potencia máxima que puede entregarnuestro circuito?

Teóricamente la tensión de pico del audio de sa-lida sobre el parlante puede ser igual a la tensión desalida de la llave electrónica. En nuestro caso la sali-da puede ser entonces de 18V de pico o de 32V pap.En este caso la tensión eficaz de salida será de18V/1,41 = 12,76V y la potencia se determina con lafórmula V2/R en donde R es la resistencia del parlan-te. Reemplazando obtenemos (12,76)2 / 8 = 20W.



Figura 8


AMPLIFICADOR DE POTENCIA CON MOSFET

Para completar esta tema, queda por mostrar unamplificador PWM práctico para potencias superio-res a 100W. Cuando se trata de conmutar altas co-rrientes y elevadas tensiones, los MOSFETS son ini-gualables en cuanto a rendimiento. Sólo hay que te-ner en cuenta que excitarlos no es tan fácil como pa-rece. Existe la tendencia a pensar que una compuertaaislada que no consume corriente resistiva se puedeexcitar a alta impedancia. Y realmente no es así.Cuando se trabaja con MOSFETS de gran potencia,la capacidad de la compuerta tiene una importanciafundamental sobre el diseño del excitador, que siem-pre es una etapa de baja impedancia de salida paraque el capacitor de compuerta se cargue y se descar-gue rápidamente.

En la figura 9 se puede observar un amplificadorPWM diseñado por el autor y utilizado hasta una sa-lida de 30V pico sobre 8 Ohm. El cálculo de la po-tencia será entonces (30.0,707)2 / 8 = 107W, es deciraproximadamente 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 modu-lador porque para probar el amplificador es preferi-ble dejarlo de lado y agregarlo posteriormente.

Observe que se utilizaron dos MOSFETS com-plementarios, uno tipo P de enriquecimiento y uno ti-po N de enriquecimiento. Elegimos transistores de32 Amperes, aunque este proyecto no lo requiere ya

que la corriente pico es de 30V/8 Ohm = 3,75A. Delmismo modo, los transistores soportan una tensiónde fuente de 100V y los usamos en 30. Esto pareceun desperdicio, pero en el fondo no es así. Un MOS-FET de 32A tiene una resistencia de saturación de200 mOhm lo cual implica un rendimiento muy altoy una baja temperatura de trabajo cuando se lo traba-ja a sólo 3,75A. El exceso de tensión contribuye a lo-grar un proyecto casi indestructible, inclusive si sepone el parlante en corto porque entonces la corrien-te por los MOSFETS queda limitada por el inductor.Más adelante se analizarán las condiciones de segu-ridad con todo detalle.

Es importante observar que Q1 y Q2 se compor-tan como un push pull. En realidad, el nombre másconocido es el de semipuente porque la rama de sali-da se parece a medio puente H de los utilizados enelectrónica industrial para alimentar motores de CC.

Por el tipo de transistor utilizado, Q2 conducirácuando la compuerta se encuentre unos 4V por deba-jo del terminal de fuente y Q1 cuando la compuertase encuentre unos 4V por encima del terminal defuente. Esto significa que las compuertas se debenalimentar con una diferencia en su valor de polariza-ción, es decir que la compuerta de Q2 debe tener su-mada una continua y la compuerta de Q1 debe tener-la restada.

Estas tensiones se pueden conseguir con diodoszener pero el funcionamiento de este amplificador enCA es ideal para lograr que las tensiones se produz-



Figura 9


can cargando capacitores de paso (en este caso C2 yC3) mediante los diodos limitadores D1 y D2.

D1 no permite que la tensión de compuerta de Q2supere los 30,6V y D2 no permite que la compuertade Q1 tenga un valor inferior a -30,6V. Su uso cargalos capacitores C3 y C2 exactamente con el valor ne-cesario para que el circuito quede bien polarizado ylos transistores conmuten rápidamente aumentandosu rendimiento. R5 y R7 operan como una carga mí-nima de Q3 y Q4 que ayudan a mejorar el arranquedel circuito sin afectar mayormente su rendimiento(si Ud. no los coloca, el simulador arranca dando unmensaje de falla). El par complementarios Q3 y Q4se encargan de excitar a las compuertas a muy bajaimpedancia y dando un camino de circulación de lascorrientes en las dos direcciones posibles (carga ydescarga de los capacitores internos de compuerta).

Observe que la tensión de alimentación de estostransistores es menor que la tensión de las fuentes desalida, lo cual permite, posteriormente, alimentar almodulador con una tensión alejada de su valor máxi-mo de +-18V. Si el lector lo desea, puede alimentarel preamplificador con un valor menor, como porejemplo +-10V, que es un valor que aún supera am-pliamente el valor necesario de excitación de losMOSFETS.

Es decir que el circuito tiene, como característicaimportante, separar las fuentes de las etapas de sali-da y la preamplificadora. Con esto se consigue dise-ñar un amplificador muy flexible simplemente cam-biando las fuentes V1 y V2. El autor tiene experien-cia en el diseño de amplificadores de 400W simple-

mente utilizando fuentes de +-80V. También se pue-de cambiar el valor del parlante por 4 Ohm si se cam-bia el diseño del filtro y trabajar con tensiones meno-res de fuente. Lo más importante es que Ud. manejeel tema con gran conocimiento de lo que está fabri-cando. De hecho, el tema del audio de gran potenciaes muy especial porque forma un nicho de produc-ción que no está ocupado por los productos importa-dos, ya que los amplificadores para boliches suelenestar incluidos en el bafle y por supuesto no admitenel valor de un flete desde el exterior.

PRUEBA DE LA ETAPA DE POTENCIA Y EXCITADORA

¿Para trabajar en un tema como el indicado esprácticamente imprescindible poseer un generadorde funciones?

No, pero se necesita una fuente de señal de ondarectangular con tiempo de actividad y frecuencia va-riable que imite la salida por colector abierto de loscomparadores de tensión.

Por el momento vamos a trabajar con un genera-dor de funciones, pero más adelante le vamos a ex-plicar cómo se construye un generador de reemplazocon un PIC y muy pocos componentes externos.

Con un multímetro y un generador de funcionesse puede hacer realmente mucho. Inclusive una me-dición de linealidad del sistema. Pero expliquemosqué significa “linealidad” en un equipo digital.



Figura 10 - Medición de salida nula.


En un equipo analógico significa que la tensiónde salida sea perfectamente proporcional a la tensiónde entrada, antes de utilizar la realimentación negati-va que todo amplificador necesita. Esto, por lo gene-ral, es imposible de realizar en la práctica, porque losamplificadores de audio analógicos realimentan tan-to la señal de alterna como la de continua por la mis-ma red y si se desconecta al realimentación de alter-na el amplificador no funciona porque queda mal po-larizado. Los amplificadores PWM permiten un aná-lisis muy completo sin aplicar realimentación. Inclu-sive la realimentación es mucho más moderada por-que no tienen grandes distorsiones implícitas.

¿Medir distorsión con un multímetro?

Sí, la idea es colocar un multímetro sobre la car-ga (que por supuesto no puede ser el parlante sinouna carga resistiva) colocar la señal de entrada con la

frecuencia de la portadora PWM elegida y un perío-do de actividad del 50%. El multímetro deberá indi-car un valor prácticamente nulo. Ver la figura 10. Ob-serve que el multímetro indica -88 mV que puedeconsiderarse como un valor nulo. Ahora se debe pro-bar con un valor de tiempo de actividad de 1% y vol-ver a leer el multímetro. Luego se lo lleva a 99% y sevuelve a medir la tensión de salida.

Ya se puede observar que el pre y la salida sonperfectamente lineales porque los valores de +29.252y -29,686 son prácticamente equidistantes de 0. Si lodesea, puede realizar mediciones intermedias y trazaruna gráfica.

¿Como es posible que componentes altamentealineales como los transistores bipolares y los MOS-FET generen una linealidad tan perfecta? Porque selos utiliza al corte o a la saturación, nunca a un valorintermedio. Eso significa digitalizar un circuito.



Figura 11 - Medición al 1% y al99% de tiempo de actividad.


COMPONENTES PASIVOS

23PRIMERAS REPARACIONES Y SIMULACIONES

Componentes PasivosUSADOS EN UN AMPLIFICADOR DIGITAL

En este capítulo le indicamos cómo construir los com-ponentes de su amplificador en forma práctica. Paraeso le pedimos que consiga un Fly-Back quemado

porque el inductor de filtro PWM no se puede comprar enuna casa de electrónica y el capacitor de filtro no puede serun electrolítico común.

El mayor problema de un proyecto suele ser la construc-ción de los componentes especiales. Nuestro proyecto deun amplificador PWM tiene dos componentes especialesque suelen ser los que traban la realización práctica del am-plificador.

Para comenzar vamos a encarar un proyecto ambiciosopero no mucho. Un amplificador de 50W. Podríamos enca-rar un amplificador de mayor potencia pero queremos que ellector pueda realmente construirlo y escucharlo, y un baflede 200W por ejemplo, no es algo que esté al alcance de to-dos. Inclusive un bafle de 50W va a requerir la compra de unparlante considerablemente costoso. El proyecto que encaramos no es una simple receta decocina para construir un equipo sin entender lo que se está haciendo. El lector que conoce eltema de audio sabe que lo estamos encarando en profundidad, sin dejar nada sin explicar, demodo que si no puede comprar un parlante de 50W lo pueda modificar y realizar un proyec-to de menor envergadura (una ventaja de los amplificadores PWM es su flexibilidad de dise-ño si Ud. usa una fuente de 12V en lugar de la propuesta ya tiene diseñado un amplificadorde 10W aproximadamente).

Explicaremos las características de los dos componentes especiales que forman parte delfiltro PWM. El inductor de 100µH y el capacitor de 0.7µF. Dicho así parece una cosa muy sim-ple, pero realmente no lo es, porque por ambos componentes debe pasar una corriente con-siderablemente alta y lo primero que vamos a hacer es calcular los parámetros de nuestroamplificador con los cuales diseñar luego los componentes especiales.

POTENCIA, TENSION DE FUENTE Y CORRIENTE

Nuestro dato de partida es la potencia sobre elparlante que adoptamos como de 50W. Los parlantesmás comunes son de 8 Ohms y con ellos vamos a rea-lizar nuestro proyecto. Vamos a tener que aplicar algode matemáticas para calcular los otros dos parámetrosde nuestro proyecto.

P = E . I

Esta es la fórmula de partida con las unidades

[W] = [V] . [A]

La potencia la conocemos, sólo nos falta averi-guar la tensión y la corriente. En lugar de la corrienteen la fórmula podemos poner el valor calculado comoE/R con lo cual P = E. E/R = E2/R, de donde se des-peja la incógnita que es:

E2 = P . R


–––– ––––E = √ P . R = √ 50 . 8 = 20V eficaces

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

Esa es la tensión de fuente positiva y necesitamosotra fuente negativa del mismo valor. La corriente efi-caz por el parlante será de:

V / R = 28,2 / 8 = 3,5A

¿Por dónde circula la corriente por el parlante enun filtro PWM?

Es difícil de decirlo pero a ritmo del generador esevidente que el capacitor tiene una reactancia muchomenor que el parlante. Si Ud. recuerda la reactanciacapacitiva es prácticamente un valor despreciablecomparado con la resistencia del parlante para que elfiltro PWM sea efectivo.

Si en el circuito de potencia colocamos un peque-ño resistor de 1MΩ en serie con el capacitor, podre-mos medir que sobre él se produce una tensión de800mV. Tomemos 1V por seguridad; esto significaque por el capacitor circula 1A a 100kHz y esto no lopuede soportar un capacitor electrolítico común nopolarizado.

CARACTERISTICAS DE LOS CAPACITORES

Los capacitores se pueden ordenar de diferentesformas de acuerdo a sus parámetros. Los principalesparámetros son:

• Capacidad nominal (Cn): es la capacidad que seespera que tenga el condensador. La capacidad nomi-nal está normalizada.

• Tolerancia: es la variación que puede presentarrespecto al valor nominal del condensador dado por elfabricante. Se expresa en % y puede ser asimétrica (-a +b %).

• Coeficiente de temperatura: expresa la variacióndel valor del condensador con la temperatura. Se sue-le expresar en %/ºC (tanto por ciento por grado centí-

grado), o en ppm/ºC (partes por millón por grado cen-tígrado).

• Tensión máxima de funcionamiento (Vn): tam-bién llamada tensión nominal, es la máxima tensióncontinua o alterna eficaz que se le puede aplicar alcondensador de forma continua y a una temperaturamenor a la máxima de funcionamiento, sin que éstesufra algún deteriodo.

• Tensión de pico (Vp): máxima tensión que sepuede aplicar durante un breve intervalo de tiempo.Su valor es superior a la tensión máxima de funciona-miento.

• Corriente nominal (In): es el valor continuo oeficaz de la corriente máxima admisible para una fre-cuencia dada en la que el condensador puede trabajarde forma continua y a una temperatura inferior a lamáxima de funcionamiento.

• Corriente de fugas (If): pequeña corriente quehace que el condensador se descargue a lo largo deltiempo.

• Factor de pérdidas (tgF): teóricamente cuando seaplica una tensión alterna a un condensador se produ-ce un desfase de la corriente respecto a la tensión de90º de adelanto, pero en la práctica esto no es así. Ladiferencia entre éstos 90º y el desfase real se denomi-na ángulo de pérdidas.

CAPACITORES FIJOS

Estos capacitores tienen una capacidad fija deter-minada por el fabricante y su valor no se puede mo-dificar. Sus características dependen principalmentedel tipo de dieléctrico utilizado, de tal forma que losnombres de los diversos tipos se corresponden con losnombres del dieléctrico usado. De esta forma pode-mos distinguir los siguientes tipos:

• Cerámicos

• Mica

• Plástico

• Electrolíticos


24CONSTRUCCION DE LOS COMPONENTES DEL AMPLIFICADOR


¿Cuáles de estos capacitores son los más adecua-dos para nuestros proyectos?

En la figura 1 vemos capacitores cerámicos deltipo disco. El dieléctrico utilizado por estos capacito-res es la cerámica, siendo el material más utilizado eldióxido de titanio.

Estos capacitores son muy económicos aunquepresentan cierta inestabilidad, la capacidad varía con-siderablemente con la temperatura, la tensión y eltiempo de funcionamiento. Se utilizan en aplicacio-nes de baja tensión. Rango de capacidad: 1pF a 1 µF.

Su utilización es principalmente como desacoplede medias y altas frecuencias y dado su pequeño ta-maño no admiten su uso para ser circulados por altascorrientes.

CAPACITORES DE MICA

El dieléctrico utilizado en este tipo de capacitoreses la mica o silicato de aluminio y potasio y se carac-terizan por tener bajas pérdidas, ancho rango de fre-cuencias y alta estabilidad con la temperatura y eltiempo. Son más costosos que los capacitores cerámi-cos y se utilizan en lugar de éstos en aquellos casosdonde se requiere mayor estabilidad y en aplicacionesde alta frecuencia. Igual que los capacitores cerámi-cos su pequeño tamaño no los hace adecuados para lacirculación de elevadas corrientes.

CAPACITORES DE PLASTICO

Estos capacitores se caracteri-zan por las altas resistencias de

aislamiento y elevadas temperaturas de funciona-miento. Ver figura 2. Según el proceso de fabricaciónpodemos 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 se-gundo) y por su construcción. Según el dieléctricousado se pueden distinguir estos tipos comerciales:

KS: styroflex, constituidos por láminas de metal ypoliestireno como dieléctrico.

KP: formados por láminas de metal y dieléctricode polipropileno.

MKP: dieléctrico de polipropileno y armadurasde metal vaporizado.

MKY: dieléctrico de polipropileno de gran cali-dad y láminas de metal vaporizado.

MKT: láminas de metal vaporizado y dieléctricode teraftalato de polietileno (poliéster).

MKC: makrofol, metal vaporizado para las arma-duras y policarbonato para el dieléctrico.

A nivel orientativo éstas pueden ser las caracterís-ticas típicas de los capacitores de plástico. Vea la ta-bla 1. En nuestro proyecto deberíamos utilizar princi-palmente los capacitores de Poliéster KS y KT, perocomo son difíciles de conseguir en Sudamérica prefe-rimos utilizar una combinación en paralelo de capaci-tores MKT que son los más comunes en el comercio.

CAPACITORES ELECTROLITICOS

En estos capacitores una de lasarmaduras es de metal, mientrasque la otra está constituida por unconductor iónico o electrolito. Pre-sentan unos altos valores capaciti-vos en relación al tamaño y en lamayoría de los casos son de tipopolarizados. Ver la figura 3. Pode-mos distinguir tres tipos:

• Electrolíticos de aluminio:la armadura metálica es de alumi-nio y el electrolito de tetraboratoarmónico.

COMPONENTES PASIVOS


Figura 1 - Capacitor cerámico disco.

Figura 2 - Capacitores con dieléctrico de plástico.


• Electrolíticos de tantalio:el dieléctrico está constituido poróxido de tántalo y nos encontra-mos con mayores valores capaci-tivos que los anteriores para unmismo tamaño. Por otra parte lastensiones nominales que soportanson menores que los de aluminioy su costo es algo más elevado.

• Electrolíticos de alto rip-ple: admite elevados picos de co-rriente por ellos, pero su cons-trucción bobinada no los hacenadecuados más allá de las fre-cuencias de audio.

Definitivamente le aconsejamos que utilice 5 ca-pacitores conocidos en nuestro medio como de po-liéster metalizado de 0.18µF y los conecte en parale-lo para conseguir una capacidad de 0.9µF. Posterior-mente cuando el amplificador esté en funcionamientoutilice el instrumento más utilizado en electrónica quees el dedo. Deje funcionar el dispositivo por un par dehoras y toque los capacitores para ver que no esténcalientes.

EL INDUCTOR

Si el capacitor debe ser especial, el inductor es to-davía más especial que el capacitor porque debemosconstruirlo nosotros en forma artesanal. Como yo sépor experiencia que lo que sobra en un taller de repa-raciones son fly-backs, los utilizo en todos mis dise-ños. Son conocidos los proyectos para reparadorescomo por ejemplo el fly-back simulado, el yugo si-mulado, etc, etc. Me divierte disfrazar a un fly-back yen este proyecto le encontréun disfraz perfecto como in-ductor de potencia para el fil-tro PWM.

En mi cementerio priva-do de fly-back encontré unocon el bobinado quemado cu-yo núcleo con forma de do-ble “C” tenía una altura de 56mm y un ancho de 35 mm.

Lo desarmé y le medí la secciónpara que mis lectores pudieran ha-cer comparaciones reales.

Era de sección prácticamenterectangular de 9,5 x 12,5 mm.

Lo primero que hay que haceres montarle 10 vueltas de cable depar telefónico y medirle la induc-tancia que en nuestro caso fue de23µH medido en el puente RLC a100kHz, con el mismo entrehierro(una lámina de plástico de 0,2mm)que tenía originalmente en una desus piernas. Si Ud. no tiene cómo

realizar esta medición busque un núcleo de dimensio-nes similares y arme su inductor; las mediciones pos-teriores lo ayudarán a comprobar si su construcciónes adecuada.

La fórmula para el cálculo de la autoinducción (oinductancia) dice que es proporcional al cuadrado delnúmero de vueltas. Es decir que si 10 vueltas tienen23µH, el doble es decir 20 vueltas tendrán 92µH (4veces más que el original). Con unas 21 vueltas tene-mos nuestro inductor bobinado con una inductanciade 100µH. Para los que gustan de las matemáticas sepodría decir que:

L2 = k2. L1

Siendo L1 el valor correspondiente a 10 vueltas.Despejando

k2 = L2 / L1 y

–––––k = √ L2/L1 = 2,085



Tabla 1

Figura 3 - Capacitores electrolíticos.


Es decir que la cantidad de vueltas será 10 vueltaspor 2,082 = aproximadamente 21 vueltas.

En el alambre a utilizar no conviene hacer econo-mía para que el mismo inductor nos sirva luego paraamplificadores de mayor potencia. Use un cable conuna sección de 0,50 o 0,75 mm2 que en una sola capaadmite las 21 espiras sobre la rama más larga del nú-cleo.

PRUEBA DEL FILTRO TERMINADO

El método científico indica ir probando las etapasa medida que se las va diseñando. Hagamos un análi-sis de situación de lo que tenemos hecho hasta ahoray lo que podemos probar con el equipo disponible ennuestro laboratorio.

Hasta ahora tenemos diseñado el amplificadorPWM y el filtro. No tenemos diseñado el excitador,las fuentes y el bafle. El bafle y el excitador podemosdejarlo para la prueba final. Para probar el amplifica-dor PWM y el filtro, solo requerimos una resistenciade carga que reemplace al parlante y lo más compli-cado, un par de fuentes de 30V que no sabemos quécorriente deben entregar. En el próximo punto vamosa resolver el tema de las fuentes y el resistor de car-

ga. Aquí suponemos que tenemos lasdos fuentes y queremos excitar el am-plificador para saber si cumple con sucometido y sobre todo saber cual es elrequerimiento de las fuentes y de los di-sipadores de los MOSFET.

Vamos a tener que construir un ge-nerador que nos permita realizar laspruebas de nuestro dispositivo. Por su-puesto no debe ser algo muy sofisticadoy caro y por todos los medios debemosutilizar componentes prediseñados co-mo CI que nos faciliten el trabajo. Enprincipio lo que necesitamos para unaprimer prueba es un generador astablede señal rectangular, en lo posible conperíodo de actividad del 50% y frecuen-cia fija de 100kHz que entregue unos12V de salida a una impedancia de 100

Ohm. Este diseño será luego usado en el conversoranalógico a PWM así que todo lo que trabajemosahora no será en vano.

¿Será caro, será difícil de diseñar, necesito ins-trumentos muy costosos para probarlo?

En el momento actual la electrónica está tan avan-zada que el esfuerzo de diseño casi no existe si Ud.sabe sacarle provecho a los laboratorios virtuales queson muy fáciles de conseguir.

Para fabricar un generador optamos por utilizar ellaboratorio virtual Workbench Multisim 9.1 (WBMen adelante) y el CI 555 que se consigue en cualquiernegocio y a un costo despreciable. El diseño está in-cluido en el laboratorio virtual. Abra el WBM e ingre-se en tools -> circuits Wizard -> 555times wizard yobtendrá una ventana dedicada al diseño de circuitoscon el 555 que se puede observar en la figura 4.

En esta ventana debemos primero seleccionar eltipo de operación como astable y luego colocar losvalores deseados de diseño, como la tensión de fuen-te de 18V, el período de actividad (en realidad debe-ría ser del 50% pero el 555 con este circuito sólo per-mite un mínimo del 50% y con ese valor es imposibleresolver el circuito) y el capacitor de la constante detiempo de oscilación C que por defecto está colocadoen 10nF, el capacitor de filtro Cf que puede quedar

COMPONENTES PASIVOS


Figura 4


con el valor por defecto y laresistencia de carga que debepoder alimentar el dispositivoque dejamos en el valor pordefecto de 100 Ohm. Cuandoponemos estos valores la ven-tana marca los valores de R1 yR2 que debemos colocar. Ellector verá que con el primerintento dejando C de 10nF losvalores resultantes de R1 y R2son inferiores a 1kΩ. Estacondición es inadecuada y laventanita “Buil circuit” o“construcción del circuito”queda desactivada indicandoque debe elegirse un valor me-nor para C, por ejemplo470pF.

El programa vuelve a cal-cular automáticamente el va-lor de R1 y R2 que ahora sonmayores a 1kΩ y se activa“Build Circuit”. Pulsando allíel circuito se puede pegar so-bre nuestro amplificador depotencia digital que indicára-mos en la entrega anterior,quedando preparado todo pre-parado para nuestra prueba defuncionamiento.

En realidad sólo debemos quitar Rl y conectar elcircuito al preamplificador mediante un capacitor de.1µF con un resistor de 1kΩ a tierra.

En la figura 5 podemos observar el circuito com-pleto separado con una línea de puntos entre genera-dor y amplificador y en donde reemplazamos el capa-citor del filtro PWM por los 5 capacitores en paralelopostulados aquí.

¿Podremos escuchar música en nuestro circuito?

No, no se apresure, lo único que podemos probares el funcionamiento del filtro PWM a la frecuenciade muestreo de 100kHz midiendo el valor del ripple,a la frecuencia portadora sobre el parlante luego dehaber comprobado que la salida de los MOSFET es lacorrecta.

PRUEBA Y REPARACION DE UN

AMPLIFICADOR DE AUDIO DIGITAL

Si Ud. tiene un osciloscopio es muy simple medirel filtrado y el funcionamiento del amplificador y rea-lizar alguna reparación en caso de falla. Luego expli-caremos qué se puede hacer sin osciloscopio y créa-me que es mucho lo que se puede hacer con un sim-ple multímetro, al cual le agregaremos una sonda me-didora de CA.

Con el osciloscopio lo primero que se debe haceres colocar una punta en la salida del generador PWM,o la entrada del preamplificador con transistores bipo-lares sobre el resistor R4 (haz negro arriba en la pan-talla del osciloscopio). Como nuestro generador estáalimentado con 18V de fuente prácticamente pode-mos considerar que su salida es de 18V pap, tal como



Figura 6

Figura 5


lo podemos observar en la figura6. El segundo haz del oscilosco-pio se debe colocar sobre la salidade los MOSFET o la entrada alfiltro PWM (haz rojo o gris enversión ByN debajo de la panta-lla) en donde se debe obtener unaseñal de 60V pap como se obser-va en la figura 7.

Es muy importante realizaruna observación de los flancos dela señal cuadrada porque ellos sonel reflejo del buen rendimientodel sistema. Si los flancos son bien verticales la teo-ría indica que no hay pérdida de energía en el ampli-ficador de potencia PWM.

Una de las ventajas del amplificador de audioPWM es su sencillez. Si Ud. tiene señal en la entraday no tiene señal en la salida sólo le queda medir la se-ñal en un punto intermedio como por ejemplo launión de los emisores de los transistores bipolares. Siallí no tiene señal, lo más recomendable es desconec-tar los MOSFET tomando todas las precauciones delcaso porque se trata de dispositivos sensibles a loscampos electrostáticos.

Si ahora tiene señal en los emisores, seguramenteuno de los MOSFET tiene la compuerta en corto. Elcircuito de excitación de gates es perfectamente simé-trico con sendos resistores de 1k conectados a -30V ya +30V. Teóricamente los diodos D1 y D2 cargan a

los capacitores C2 y C3 de modotal que prácticamente la pata deR5 y R7 no conectadas a fuente,tienen una señal que llega desde30,6V hacia abajo en R5 y desde-30,6V hacia arriba en R7, con unvalor pico a pico en ambos casosde 18V. En la figura 8 se puedenobservar ambos oscilogramasnormales.

Si la conclusión es que uno olos dos transistores MOSFET tie-nen la compuerta en cortocircui-

to, debe considerar que esos transistores se dañaron alsoldarlos.

Soldar un MOSFET no es cosa simple. Un MOS-FET debe venir pinchado sobre una espuma de gomaconductora. Esa espuma no debe ser quitada hastadespués que se soldó el MOSFET y los resistores R5,R7, D1, D2, C3 y C2. Si en la casa de electrónicadonde compró los MOSFET no tuvieron en cuenta es-te detalle y Ud. observa que el vendedor pone desa-prensivamente los dedos sobre los terminales, pídaleque le entregue otros que estén pinchados sobre la go-ma conductora y si se niega vaya a otro negocio.

Cuando los transistores están soldados las com-puertas están conectadas a tierra para la CA y no co-rren peligro alguno, ya que el circuito no puede gene-rar tensiones que las dañen debido a los diodos deprotección y polarización D1 y D2.

Si tiene unS - E VA R I A Cno deje de utili-zarlo para con-trolar la tempe-ratura de lapunta del solda-dor y para pro-veer una aisla-ción extra a lapunta (pregunteen [email protected] pararecibir informa-ción gratuitasobre el S-EVARIAC).

COMPONENTES PASIVOS


Figura 7

Figura 8 - Señales en los gates.


Una vez que todo funcione bien, hay que realizarla medición de atenuación del filtro. El método essencillo pero requiere un parlante simulado, es deciruna resistencia de carga de 8 Ohm que soporte por lomenos 100W.

LA RESISTENCIA DE CARGA

El modo más práctico de realizar una carga de 8Ohms 100W es utilizando resistores de alambre de25W. Como seguramente no va a conseguir resistoresde 2,2 Ohm 25W para ponerlos en serie, lo único quele queda por hacer es utilizar 4 resistores en paralelode 33 Ohms 100W que dan un valor de 8,25 Ohm, loque se encuentra dentro de una tolerancia aceptable.

Como seguramente estos resistores no van a sermuy fáciles de encontrar recomendamos otro métodomuy simple que es utilizar alambre de cobre esmalta-do de un diámetro de 0,30 mm aproximadamente. Engeneral la fuente de este alambre es un taller de bobi-nado de motores.

Pregunte por su localidad a ver si consigue algúnrollo con restos de alambre. Tome 10 metros y mída-los con el multímetro digital bien ajustado y sin utili-zar las puntas del multímetro. Simplemente estañe lapunta del alambre de 10 metros colóquelas en los bor-nes del multímetro y apriételas con alguna cuña demadera redondeada. Luego debe realizar una regla detres simple del tipo: si 10 metros de alambre tienenuna resistencia de x Ohm, una resistencia de 8 Ohmdeberá tener z metros de alambre. La fórmula de cál-culo sería z = 10 . (8/x). Luego tome una tabla demadera de unos 20 cm de anchoy bobine el alambre a espiras se-paradas (aproximadamente1mm) para que disipe mejor.Luego coloque dos chapas dealuminio algo mayores que lamadera apretando el bobinado yutilizando grasa siliconada entreel bobinado y el aluminio (no sedibujaron para mayor claridad).Ver la figura 9.

Nota: Como valor de refe-

rencia le indicamos que 10 metros de alambre de 0,20mm de diámetro tienen una resistencia de 6,6 Ohm.

En el momento actual todos los equipos son este-reofónicos. Esto significa que Ud. debe encarar la re-sistencia de carga por duplicado ya que una mediciónexacta implica medir los dos canales al mismo tiem-po para tener en cuenta la caída de tensión en lasfuentes de 30V que no son reguladas.

MEDICION DEL FILTRO

Conecte un canal del osciloscopio sobre la salidade los MOSFET, el otro sobre la carga de 8 Ohm ymida el resto de portadora.

Lo primero que va a observar es que el resto deportadora es prácticamente sinusoidal a pesar de quela salida es cuadrada. La razón debe buscarla en elteorema de Fourier, que dice que toda señal estable esuna combinación de señales sinusoidales de frecuen-cias armónicas con una fundamental igual a la inver-sa del período de repetición. En nuestro caso tenemos



Figura 9

Figura 10 Figura 11


una fundamental de 100kHz que es atenuada por elfiltro en una dada proporción. La primer armónica de200kHz es atenuada prácticamente el doble y casi de-saparece del espectro, la tercera el triple, etc, etc. Enla figura 10 puede observarse el resultado de la simu-lación con los dos oscilogramas (la conexión es lamostrada en la figura 5).

Mientras se realiza esta medición se puede apro-vechar para analizar la distorsión del amplificador. Sila señal de entrada tiene exactamente el 50% de tiem-po de actividad, el valor medio de la señal cuadradade salida es igual a cero y luego del filtrado con unfiltro infinito debemos medir una tensión continuanula. En el caso real, como el multímetro no respon-de a la señal de 100kHz la medición de tensión conti-nua es válida y nos indica si la salida o el pre distor-sionan el período de actividad y en qué magnitud lohacen.

El resultado de ambas lecturas fue de 1,5V pap deresiduo de portadora, que es perfectamente aceptablepero se observa un valor continuo de salida de 0,5V.Analizando la señal de entrada se observa que no tie-ne un porcentaje exacto de 50% y por eso se produceel corrimiento de la salida y no por una distorsión delamplificador.

La medición realizada hasta ahora es incompletaporque se ha realizado a un período de actividad del50% y con ese período de actividad no hay tensióncontinua de salida sobre el parlante y no circula co-rriente por el inductor que podría saturarlo. Para rea-lizar una prueba completa hay que cambiar el períodode actividad del generador a un valor mínimo y a un

valor máximo. El mínimo es muy fácil de conseguirya que sólo requiere el agregado de un resistor desdela pata 5 del 555 a tierra. Por ejemplo el agregado deun resistor de 220 Ohms lleva el período de actividadal 1%.

Con ese período de actividad, la señal práctica-mente está haciendo conducir sólo al transistor infe-rior durante casi todo el tiempo y sobre el resistor desalida debemos tener una tensión continua de 30V, esdecir que circula una corriente de 3,75A que podríahacer saturar al núcleo del inductor. Por eso realiza-mos una medición del resto de portadora sobre la sa-lida para ver el comportamiento del filtro. En lafigura 11 se puede observar el oscilograma corres-pondiente.

Utilizando acoplamiento a la corriente alterna sepuede observar que el ripple de portadora es de apro-ximadamente 1V pap, con lo cual podemos decir queel inductor pasa la prueba definitiva.

Para realizar una prueba completa es necesarioutilizar una señal complementaria a la anterior con unperíodo de actividad de 99%. Pero el 555 no puedegenerar tal señal, así que se debe agregar un inversorpara completar el generador de prueba. Ver la figura12. Si el filtro sortea todas las pruebas ya podemospasar a la siguiente etapa de nuestro proyecto. En ca-so contrario, si el ripple de portadora supera los 2 o 3V en la medición del 50% o en la del 1% o 99% ha-brá que seguir trabajando sobre el filtro; cambiando lacantidad de vueltas, si falla al 50%, o el entrehierro yla cantidad de vueltas si falla al 99% o al 1%.

MEDICIONES SIN EL OSCILOSCOPIO

Sin osciloscopio sólo le queda el recurso de trans-formar su multímetro en un medidor de CA de por lomenos 100KHz. En la web del autor puede encontrarun detalle completo de cómo construir una sonda quecubre una banda desde audio hasta microondas abso-lutamente gratis. Aquí sólo le daremos el circuito pa-ra armar una sonda adecuada para medir el valor papde la señal sobre la carga en la banda de audio hastaunos 500kHz. Ver la figura 13.

Recuerde que esta sonda mide valor pico a pico de

COMPONENTES PASIVOS


Figura 12


una señal alterna y no está influenciada por los valoresde continua presente sobre la salida, es decir que permi-te 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 autoo para un amplificador. En el auto indica cuántos Kmpor litro puede recorrer el automóvil y es común hacer-lo a diferente condiciones de trabajo. Por ejemplo a ba-ja velocidad, a velocidad de crucero, a máxima veloci-dad con las ventanillas cerradas o abiertas, etc, etc. Enun amplificador es el consumo desde la fuente en fun-ción de la potencia de salida de audio. Si se toman 50Wde la fuente y se envían 50W de potencia de audio a lacarga, el rendimiento es unitario o del 100 por ciento. Sise toman 50W de la fuente y sólo salen 25W de audio ala carga, el rendimiento es del 50%.

¿Y qué importancia tiene el rendimiento de unamplificador?

En principio todos los seres humanos tenemosuna deuda de gratitud con nuestro vapuleado planeta.Si Ud. puede hacer un diseño con un elevado rendi-miento, seguramente estará salvando un árbol de unamuerte segura, estará reduciendo la polución atmos-férica por evitar que se quemen combustibles fósilesy estará aumentando las reservas de petróleo. Peroademás estará haciendo un diseño mucho más econó-mico en dos sentidos: A) la fuente será más chica y B)los disipadores sobre los MOSFET serán más peque-ños porque la pérdida de rendimiento significa gene-ración de calor. Un amplificador clásico tiene un ren-dimiento de aproximadamente el 60%.

¿Cuál es el rendimiento esperado de nuestro am-plificador?

Teóricamente debería ser del 100% si la resisten-cia de saturación de las llaves MOSFET fuera nula, siel filtro no dejara vestigios de portadora sobre el par-



Figura 13


lante y si la potencia de excitación de los MOSFETfuera despreciable.

¿Esos factores fueron tenidos en cuenta en el di-seño?

Desde luego, los MOSFETs utilizados son paramás de 20A y tienen unos 0,3 Ohm de resistencia in-terna cuando están saturados y el filtro deja pasar só-lo un 5% de portadora por lo que la potencia perdidasobre el parlante es muy baja y la excitación de unMOSFET es teóricamente nula si conmuta rápida-mente.

¿Se puede medir el rendimiento con nuestro gene-rador de prueba?

Sí, porque lo podemos poner en la condición demínimo o máximo período de actividad y simplemen-te medir la potencia tomada de las fuentes y la aplica-da a la carga y simplemente compararlas tal como loestamos mostrando en la figura 14.

En realidad es una medición muy exigente porque

el amplificador va a sacar una tensión continua sobrela carga igual a la tensión de una de las fuentes, es de-cir 30V y no una tensión eficaz de 30/1,41.

Algunas cuentas indican que prácticamente traba-jaremos al doble del valor nominal de potencia alter-na sobre la carga.

Como podemos observar, la potencia consumidade fuente es de:

P = 114 + 7,1W = 121W

La potencia de salida es de 102W lo que implicaun rendimiento del:

R = (102/121) . 100 = 84,3 %

Por supuesto que en la realidad no tendremos unwatímetro y deberemos realizar mediciones de ten-sión y corriente y sacar la cuenta correspondiente. Se-guramente a la potencia nominal de salida el rendi-miento será aún mayor.

COMPONENTES PASIVOS


Figura 14


EL MODULADOR PWM

35ELECCION DE LA CONFIGURACION ADECUADA

El Modulador PWMPROYECTO DE UN AMPLIFICADOR CON MODULADOR DE PULSO

Existe una gran cantidad de circuitos modula-dores PWM construidos con diferentes dispo-sitivos electrónicos. Por un lado, están los cir-

cuitos con componentes discretos que ya son, por logeneral, obsoletos por su complejidad, los circuitoscon comparadores integrados rápidos, CIs específi-cos y, por último, el que nosotros vamos a desarro-llar, que se basa en dos 555 o en un 556 que es un555 doble. Lo elegimos por su simplicidad, su clari-dad de funcionamiento, su facilidad de consecución,su precio y porque muchos lectores ya lo conocenpor haberlo usado en diferentes proyectos salidosen nuestra revista.

Un LM555 es un integrado de uso general quese suele considerar como un temporizador, ya queésa es su función principal, pero, combinado con otro 555, permite generar un moduladorPWM de excelentes características.

Como es una costumbre del autor Ud. debe pagar peaje en forma de lectura de teoría pa-ra ingresar a la parte práctica del proyecto. Hay mucho para aprender de este pequeño inte-grado 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 divi-sión entre el ingeniero y el técnico, que aseguraba que el técnico se ocupaba de hacer fun-cionar los diseños que hacía el ingeniero, es hoy una barrera que no existe. Hoy el técnicodiseña y el ingeniero debe reparar los equipos más complejos que requieren un conocimien-to muy profundo de técnicas digitales y analógicas.

Me animaría a decir que, en cierto modo, la tarea del ingeniero es también generar pro-gramas de computación (laboratorios virtuales) que resuman su conocimiento para que el téc-nico los utilice y construya sus diseños.

FUNCIONAMIENTO DE UN LM555 COMO TEMPORIZADOR MONOESTABLE

En esta función el circuito posee un pulsador, ycuando se lo pulsa el circuito genera un pulso altodurante un tiempo que el diseñador ajusta cambian-do un resistor y un capacitor. En lugar del pulsador,el circuito puede detectar un pulso de disparo exter-no.

En la figura 1 mostramos el circuito interno y elexterno de un LM555 dispuesto como temporizadormonoestable.

Los resistores R1, R3 y R4 son del mismo valor.Eso implica que la tensión + de U1B se encuentra a1/3 del potencial de fuente y el terminal de control a2/3.

Cuando se conecta la fuente, el capacitor C1 seencuentra descargado. Como los potenciales de las


entradas positivas de ambos comparadores sonmás positivas que las patas negativas, ambas sa-lidas están altas y el 555 queda en un estado es-table alto ya que el terminal de reset del flip flopsigue alto, porque la compuerta and tiene su sa-lida alta. Para sacar al circuito integrado de esteestado se debe apretar un pulsador conectadoentre “disparo” y masa para que pase a un esta-do bajo momentáneo. Ahora se invierten lascondiciones de la salida del comparador inferiory set pasa a un estado alto. Q negado a su vezpasa a un estado bajo y el transistor se abre y co-mienza a cargarse el capacitor.

No importa qué “disparo” se haga alta porsoltar el pulsador y set pase al estado alto nue-vamente, ya que para que se produzca un cam-bio de estado del flip flop se debe levantar reset.Justamente, eso es lo que ocurre cuando la car-ga del capacitor supera la tensión de 2/3 defuente.

El flip flop se resetea, el transistor se vuelvea cerrar y se descarga el capacitor, volviendo to-do al estado original hasta que se vuelva a pul-sar el disparo. Todo el circuito externo que re-quiere el temporizador es el capacitor C1, el re-sistor R2, un pulsador sobre la entrada de dispa-ro y un resistor de pull-up sobre la entrada dedisparo.

En cuanto a los valores de los componentes y lafórmula de cálculo del tiempo, podemos decir que T= 1,1 . R2 . C1 y que C1 debe ser mayor a 100pF. Decualquier modo, el laboratorio virtual WBM permiterealizar el cálculo de nuestro temporizador en formaautomática, lo cual nos exime de realizar la menoroperación matemática.

Como un ejemplo para practicar sobre el tema enla figura 2, diseñamos un temporizador de 1ms condisparo por pulsador e incluimos las formas de señalmás importantes.

Este circuito está directamente programado en elWBM, sólo hay que invocar toolsí555 time wizard yaparece una tabla como la indicada en la figura 3, enla que sólo hace falta colocar el tiempo deseado en lafila Output Pulse Width. En nuestro caso 1 ms y elWBM se encarga de encontrar la solución automáti-camente indicando el valor de R. Simplemente pulse

sobre Build Circuit (construcción del circuito) y apa-recerá el circuito dibujado en la pantalla listo parausar. Si Ud. coloca como valor de C un capacitor queno permite una solución posible, “Build circuit” apa-rece desactivado. Cambie el valor de C y vuelva aprobar.


36DISEÑO DE UN GENERADOR DE PULSOS

Figura 2 - Temporizador monoestable.

Figura 3 - Cálculo automático de un monoestable.

Figura 1 - Circuito del LM555 conectadocomo temporizador monoestable.


El terminal TRI corresponde al disparador delcircuito (trigger) y cuando no se utiliza debe conec-tarse a masa con un capacitor de 10nF aproximada-mente.

El circuito no tiene un pulsador, sino un genera-dor de onda cuadrada como excitación. De este mo-do, el circuito se engancha con el flanco descenden-te de la señal y genera una señal de salida con el pe-ríodo de actividad que nosotros indicamos, en tantoel mismo sea inferior al período de la señal de sincro-nismo.

Si Ud quiere verificar el cálculo puede observarla forma de señal en la salida sobre la resistencia decarga de 100Ω que se indica en la figura 4.

Si desea obtener un oscilograma permanente conun generador como disparo puede reemplazar el pul-sador por un generador de onda cuadrada, de porejemplo 800Hz y obtendrá una forma de onda de sa-lida rectangular, como la indicada en el circuito en lafigura 5.

FUNCIONAMIENTO DEL LM555COMO OSCILADOR ASTABLE

La palabra astable puede asimilarse a oscilador.Puede entenderlo como un multivibrador monoesta-ble que se redispara a sí mismo y que, por lo tanto,no necesita señal de excitación externa. En nuestroproyecto de modulador PWM, se requiere un oscila-dor para generar la señal de portadora y un monoes-table controlado por tensión para modularla. Analice-mos cómo funciona un astable que funcione en for-ma libre, porque desde ya le adelantamos que el 555puede funcionar libre o enganchado con una señal desincronismo (como el oscilador vertical de un TV).

La configuración de un astable difiere de un mo-noestable sólo en un componente (un resistor) y enun puente entre patas. No hace falta ser muy despier-to para imaginarse que si la tensión que carga al ca-pacitor del monoestable se conecta al terminal de dis-paro, el circuito se realimenta y oscila. En la figura 6se puede observar el circuito modificado.

EL MODULADOR PWM


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

Figura 5 - Modificación del período deactividad de una señal.


El disparo ahora se produce con el ter-minal de umbral. Cuando se conecta lafuente de alimentación, el capacitor C1está descargado, manteniendo el terminalde disparo bajo y reforzando de este mo-do el estado de carga libre de C1 a travésde R2+R5.

Todo permanece en ese mismo estadode carga hasta que el capacitor llega a unatensión de 2/3 de la tensión de fuente, mo-mento en que el terminal (-) de U1A pasaa estar por encima del terminal (+).

En este momento la salida de U1A pa-sa al estado bajo, el flip flop se resetea yQ negado pasa al estado alto haciendoconducir a Q1, con lo cual comienza el ci-clo de descarga del capacitor C1 a travésdel resistor agregado R5. Ud. puede supo-ner que en cuanto el capacitor se descar-gue levemente, se producirá nuevamenteun cambio de estado del Flip Flop, perorealmente no es así, porque se trata de unFlip Flop RS y para que cambie de estadodebe recibir alguna señal en SET. Eso noocurre hasta que el capacitor se descarguehasta algo menos que 1/3 de la tensión defuente, creando una oscilación a una fre-cuencia que depende de los valores de R2,R5 y C1 según la fórmula f = 1,49 / (R2 +2.R5).C1.

Seleccionando los valores de R2 y R5 se puedemodificar el período de actividad del oscilador entre50% y 99%. Teóricamente se puede demostrar queeste oscilador no puede tener períodos de actividadmenores al 50%, porque R5 debería ser menor quecero. Es decir, que el tiempo de carga debería ser me-nor que el tiempo de descarga, pero esto no es posi-ble porque el tiempo de carga es C1. (R2+R5) y eltiempo de descarga es C1.(R5) y la suma de dos nú-meros nunca puede ser menor que uno de los núme-ros. Si se requiere que el tiempo de actividad varíe enun valor menor al 50% se debe completar el circuitocon dos diodos colocados como lo indica la figura 7.

Ahora los caminos de circulación de corrienteson los siguientes. La carga de C1 se establece porR2 y D1. La corriente de descarga se produce por D2y R5. El diodo D2 no es imprescindible pero el fun-

cionamiento es más estable si se lo utiliza, porque encaso contrario, la corriente de carga también circulaen parte por R5 debido a la caída de tensión en el dio-do D1. Con el agregado de D2 la fórmula de la tem-porización es más exacta. Para calcular el período deoscilación se lo debe dividir en dos. El tiempo de car-ga T1 = 0,67 (R2.C1) y el tiempo de descarga T2 =0,67 (R5.C1). Luego el tiempo total es Tt = T1 + T2y la frecuencia de oscilación f = 1/Tt. Con esta mo-dificación el tiempo de actividad se puede elegir en-tre 3 y 97%.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

A) La tensión de fuente puede variar entre 4,5 y15V con un máximo absoluto en 16V. La temporiza-



Figura 6 - Circuito del oscilador astable.

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


ción o la frecuencia no dependen de la tensión defuente como lo indican las fórmulas.

B) El ripple de fuente no debe ser necesariamen-te bajo, porque no modifica la temporización o la fre-cuencia libre, pero debe tenerse en cuenta que un rip-ple muy alto produce modulación de amplitud de lasalida.

C) Cuando el transistor de descarga maneja co-rrientes importantes y sobre todo, si esas corrientestienen una duración muy corta, se requiere un capa-citor o capacitores adecuados entre el terminal defuente y masa. Inclusive debe tenerse en cuenta quesus terminales sean cortos y que el circuito impresotenga pistas anchas y cortas.

D) La resistencia de carga debe tener un valorcomprendido entre 5kΩ y 5MΩ. Siempre que puedaelija un valor de 220kΩ y ajuste el tiempo cambian-do el capacitor. El capacitor puede variar entre100pF y 100µF.

E) Recuerde que la estabilidad es función de laconstante de tiempo del circuito y que los resistorescomunes de carbón depositado (y los presets) tienenun corrimiento con la temperatura que se compensacon los capacitores de polyester metalizado. No usecapacitores cerámicos disco, salvo que sean NP0. Sidebe usar capacitores grandes, utilice capacitores detantalio.

F) Si el terminal de control no se utiliza, conécte-

lo a masa con un capacitor cerámico disco de .1µFpara evitar la captación de señales espurias.

USO DEL TERMINAL DE CONTROL Y EL RESET

Cuando la pata 5 no se utiliza, el funcionamientodel circuito ocurre entre 1/3 y 2/3 (66%) de la tensiónde fuente. El capacitor C1 tendrá esa variación detensión sobre él. Pero el circuito puede funcionar conotros valores de tensión de control aplicados externa-mente. La tensión de control se puede variar entre un40 y 90% de la tensión de fuente para obtener uncambio de temporización o una modulación de fre-cuencia de la salida. Cuando Ud. deba diseñar un os-cilador astable de frecuencia libre, puede ajustar lafrecuencia dentro del valor establecido por la cons-tante de tiempo del circuito utilizando un preset ydos resistores fijos que varíen la tensión de la pata decontrol en un valor de, por ejemplo, un 10% si no re-quiere una gran variación de la frecuencia. El termi-nal de RESET (pata 4) puede ser utilizado como unterminal de habilitación del dispositivo. Con la patade RESET a masa, el dispositivo no funciona y conla pata a fuente comienza a funcionar de inmediato.

MODULADOR POR ANCHO DE PULSO PWM

Para esta operación se utilizan dos 555 o un 556que tiene dos 555 en un mismo chip. Uno se utiliza

EL MODULADOR PWM


Figura 8 - Circuito del oscilador astable de portadora PWM.


como un oscilador astable con un pe-ríodo de actividad muy corto oscilandoa la frecuencia de portadora (en nuestrocaso 100kHz). La salida de este astablese utiliza como señal de disparo delotro 555 conectado como multivibra-dor monoestable con ajuste de la tem-porización por el terminal de control.El temporizador se diseña para que ten-ga un tiempo tal que el corto período deactividad del astable se agranda hastael 50%. La aplicación de una tensión enel terminal de control del temporizadormodificará entonces el período de acti-vidad entre los valores deseados. Esobvio que en nuestro caso la tensión decontrol es el audio analógico de entra-da. En la figura 8 se puede observar elcircuito del oscilador de portadora y en la figura 9 eltemporizador, ambos dibujados en un WorkbenchMultisim.

Este circuito no requiere mayores comentarios yaque como sabemos lo tomamos directamente ya ar-mado del Workbench, colocando una frecuencia de100kHz 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 ne-cesitamos ni una frecuencia, ni un tiem-po de actividad muy precisos. La salidade este circuito (OUT) se conecta al cir-cuito siguiente.

Simulando este circuito, es muy fá-cil entender cómo se realiza la conver-sión de una señal analógica a una señalPWM. El resistor R3 y el capacitor C3sólo se utilizaron como filtro de valormedio, en reemplazo del filtro LC queantecede al parlante de nuestro amplifi-cador digital. Este filtro agregado nospermite comparar la señal de audio deentrada con la señal de salida PWM fil-trada, para analizar la linealidad del cir-cuito que realmente no se caracterizapor ser muy buena. Es decir que nuestromodulador introduce una distorsión im-portante que sólo se admite porque lue-go existirá una realimentación negativaque la compensa.

Realmente le aconsejamos al lector que realicelas simulaciones porque así entenderá perfectamenteel funcionamiento del circuito.

Nosotros vamos a mostrar sólo unos oscilogra-mas del mismo, comenzando por el que correspondeal circuito de la figura 9 y que mostramos en la figu-ra 10. Como el lector puede observar, hay tres dife-rencias fundamentales entre ambas señales.



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

Figura 9 - Circuito del monoestable detiempo variable por “control”.


En principio, una de las cosas más visibles es elripple de portadora. En un filtro simple a RC no sepuede hacer nada mejor que lo mostrado. El filtroreal es LC y es bastante más efectivo pero, de cual-quier modo, sobre el parlante queda un ripple consi-derable. Este ripple es de 100kHz, y por lo tanto noes audible, así que su importancia es muy relativa. Elotro problema es un desfasaje considerable entre am-bas señales (un atraso sobre la salida del filtro). Estedesfasaje tampoco es audible, porque el oído huma-no no responde a la fase de las señales que lo exci-tan. Sin embargo, en este caso se debe considerar eldesfasaje cuando se diseña el filtro de la realimenta-ción negativa, ya que podrían producirse giros de fa-se espurios en alguna frecuencia que vuelvan inesta-ble u oscilatorio al amplificador. El tercer problemaes una distorsión armónica importante, debida a laalinealidad del modulador. Esta distorsión quedarátan reducida por la realimentación que dejará de te-ner importancia. De cualquier modo tenga en cuentaque la distorsión de un amplificador a transistores bi-polares o mosfet es muy superior a la distorsión denuestro modulador.

EL CIRCUITO COMPLETO DEL MODULADOR

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

pos variables? Porque a un simulador le resulta mássimple simular un sólo bloque con un 555 que dos.Por otro lado, el diseño implica diseñar etapas suel-tas, probarlas y luego unirlas. Es un modo de agotarla posibilidad de fallas, que ayuda mucho en el dise-ño. Pero después que está todo probado se debe darel último paso, que consiste en integrar los circuitos.Y para que no haya repetición de números de posi-ción con los circuitos de potencia ya vistos, a los delmodulador lo numeramos a partir del 50. Ver la figu-ra 11.

Este circuito es completamente funcional en elWorkbench y Ud. puede realizarle pruebas de res-puesta en frecuencia, sensibilidad, distorsión armóni-ca total, etc, con sólo agregarle en la salida un filtroPWM (un integrador) compuesto con un resistor de1kΩ y un capacitor de 100nF (o quizás un filtro desegundo orden, diseñado por Ud. mismo para mejo-rar las características del filtro propuesto).

Este circuito puede tener otras aplicaciones ade-más de la indicada. Por ejemplo, realizar una trans-misión óptica de audio, utilizando como carga unpick-up láser al que se le haya sacado la lente exter-na. La salida de nuestro dispositivo modulador PWMes de 15V y un pick-up requiere una corriente deunos 50mA. Eso significa que colocando un resistoren serie con el láser de 270Ω, lo podemos excitar apleno. Como receptor puede utilizar los mismos fo-todiodos del láser debidamente amplificados con un

operacional. Es simplemente unaidea que no fue probada, pero es-tamos seguros que alguno denuestros lectores la va a realizar.No tenemos idea del alcance, asíque esperamos que si alguien lohace se comunique con nosotros.

Nadie puede decir que es algocomplicado construir el modula-dor PWM de nuestro amplifica-dor digital y mucho menos decirque no le dimos suficientes datospara su fabricación. Mi idea esque entregarle al lector un pro-yecto tipo receta de cocina no sir-ve de mucho, y todo lo que seconsigue es incrementar el flujode “cartas al lector” con pregun-

EL MODULADOR PWM


Figura 11 - Circuito del modulador completo.


tas que indican que no se entiende cómo funciona loque está construyendo.

Como complemento, daremos unos “tips” sobrenumeración binaria y otros tipos de numeraciones nodigitales, que le pedimos vaya estudiando con todadedicación (considérelo como un peaje extraordina-rio). Ese conocimiento lo vamos a necesitar cuandoestudiemos el parlante digital de bobinado multifilary los bafles digitales, una vez que hayamos termina-do el amplificador PWM y comencemos con los am-plificadores y bocinas de ocho bits.

EL MUNDO DIGITAL

Al escuchar la palabra "digital", probablementelo primero que llega a nuestra mente es "Computado-ra", "CD", "DVD", etc, y en los últimos tiempos“LCD” y “Plasma”. Debido al gran alcance que hantenido todo tipo de aparatos electrónicos, en este mo-mento son muy pocas las áreas de la vida modernaque no cuenten con un sistema digital, ya sea de me-dición, comparación, operaciones aritméticas o di-versión en todo tipo de dispositivos. Todo lo quesiempre fue electrónico, pero analógico, hoy contie-ne una gran parte de circuitos digitales. En electróni-ca se trabaja con cargas eléctricas. Dentro de los cir-cuitos analógicos hay tensiones y corrientes que seprocesan para conseguir un fin determinado. En loscircuitos digitales también se procesan tensiones ycorrientes, pero las mismas representan números, yentonces los procesos de modificación de las señalesson siempre soluciones matemáticas. A un integradodigital se debe ingresar con una tensión representati-va de un número, o el mismo CI debe tener un con-versor que transforme una señal analógica en un nú-mero que debe procesar para obtener otro, que poste-riormente se puede transformar en una señal analógi-ca en una pata de salida.

LOS NUMEROS

En casi todos los campos de la vida humana (porno decir todos), el concepto de "cantidades" es el másutilizado para definir, medir, contar, expresar o utili-zar los conjuntos de cosas. Una vaca es una vaca, pe-

ro cuando tengo muchas, necesito encontrar un mo-do simple de decir cuántas tengo y de poder sumardos rebaños, para saber cuántas vacas tengo en total.

Sí, así comenzó todo. Pero el concepto de núme-ro se creó en diferentes lugares del mundo al mismotiempo y en la época en que las comunicaciones noexistían prácticamente, razón por la cual existen dis-tintos tipos de números. En la electrónica no tenemosvacas, pero tenemos electrones y podríamos decirque toda la ciencia electrónica se basa en procesaradecuadamente a grandes cantidades de electrones.

Cuando necesitamos modificar esas cantidadesde cargas, es primordial que podamos representarlasde manera exacta y sencilla, y por ese motivo nos va-lemos de dos formas de representación numérica deestas cantidades.

• La representación Analógica.

• La representación Digital.

En la representación Analógica, los efectos físi-cos como la tensión y la corriente se presentan demanera continua (como cantidades) en adecuados in-dicadores visuales. El ejemplo clásico es un voltíme-tro analógico, el cual cuenta con una aguja medidoraque se mueve sobre una escala de números. El movi-miento de la aguja es proporcional a la tensión que seaplique a las puntas del voltímetro. La posición deesta aguja representa el valor de la tensión que se mi-de, y ésta sigue continuamente cualquier cambio quese presente en la misma, por más pequeño que sea,mientras sea perceptible.

Las cantidades analógicas muestran una caracte-rística que hay que destacar: pueden variar gradual-mente dentro de una línea continua de valores. Elvoltaje aplicado al voltímetro puede ser de cualquiervalor comprendido entre 0 y 12 voltios, por ejemplo(suponiendo que ése fuera su fondo de escala), un va-lor como 1,25V ó 10,59V es perfectamente discerni-ble en la escala. En el fondo, la tensión debería variarpor saltos, porque un electrón tiene una carga deter-minada que no admite subdivisión alguna. Pero co-mo esa carga es ínfima, parecería que la aguja se mo-viera suave y continuamente. En la representacióndigital estas mismas cantidades no se presentan convalores continuos. En cambio se presentan comosímbolos, cuyo nombre depende del sistema numéri-co elegido.




LA REALIMENTACION NEGATIVA

Los amplificadores de audio degran potencia son quizás por su tama-ño y peso uno de los últimos equiposque aún se fabrican en países deAmérica de habla hispana.

Pero un buen amplificador de au-dio requiere aplicar principios deelectrónica que no siempre son bien entendidos porlos profesionales del tema.

¿Para qué sirve la realimentación negativa en unamplificador analógico?

No hay una razón única, sirve para muchas cosasno estarán pensando mis lectores, y de todas esas co-sas la que seguramente es la respues será: para redu-cir la distorsión del amplificador. Desde ya ésa esuna respuesta correcta, pero no me animo a decir quees la más importante aunque debo aclarar que un am-plificador de audio sin realimentación negativa es es-pantosamente alineal; sobre todo si se trata de un am-plificador a transistores bipolares.

Mejorar la respuesta en frecuencia puede ser lasegunda respuesta en importancia. Y también es unarespuesta válida porque los transistores de potenciade audio no tienen, por principio, una buena respues-ta en alta frecuencia.

Estabilizar el amplificador en CC puede ser latercer respuesta. Y no está mal porque en un amplifi-cador analógico, si no hay realimentación negativa,es imposible que la tensión de salida se mantenga es-table con la temperatura o con la tolerancia de losmateriales (sobre todo el beta de los transistores). Enefecto, si el amplificador es de una sola fuente posi-tiva (por ejemplo 12V) la tensión de salida debe serexactamente la mitad de la tensión de fuente (6V) yla estabilidad de esta tensión se consigue por la redde realimentación negativa.

Y aquí comienzan a escasear las respuestas y co-mienzan los balbuceos, porque el factor más impor-tante no es ninguno de los indicados. La respuestamás correcta es: para reducir la resistencia de salidadel amplificador.

¿No se cumple la ley de la máxi-ma transferencia de energía que di-ce que la fuente debe tener una re-sistencia igual a la de carga paratransferirle la máxima potencia a labocina?

No, en los amplificadores de au-dio no se cumple. La carga suele serde 8, 4 ó 2Ω y los amplificadores debuena calidad suelen tener una resis-

tencia interna de salida del orden de los 100 mOhmso menos aún. Y la baja resistencia de salida se consi-gue con realimentación negativa.

Y si un amplificador para una bocina de 4Ω tieneuna resistencia de salida de también 4Ω ¿qué pasa?Varias cosas. En principio tenemos poca potencia enel parlante o bocina. Es que en la tensión de salidadel amplificador, que como caso extremo puede tenerun valor de pico a pico igual, la resta de las tensionesde fuente (por ejemplo +12V y -12V darían 12 - (-12)= 12+12 = 24V) se reparten entre la resistencia de sa-lida y la resistencia de la bocina y a la bocina sólo lellegan 12V de pap. Pero no es éste el único problemaque presenta un amplificador con una resistencia desalida moderada. Existe un problema mucho mayorcausado por la bocina.

CIRCUITO EQUIVALENTE MECANICO

DE UNA BOCINA

Una bocina es, de alguna manera, un pénduloelástico. Es decir un péndulo donde la atracción de lagravedad se reemplaza por dos resortes según la figu-ra 12.

El peso representa al cono y a la bobina móvil ylos resortes a la suspensión elástica del cono. Estepéndulo tiene una frecuencia de resonancia mecánicade modo que si lo sacamos de punto de equilibrio yluego lo soltamos no retornará al mismo en un rápi-do movimiento sino que llegará al punto de equili-brio y se pasará del mismo. Un instante después rea-lizará el movimiento inverso pero también se pasarádel punto de equilibrio aunque en menor medida. Yasí con varias oscilaciones terminará llegando al

EL MODULADOR PWM


Figura 12


punto de equilibrio. Si pretendoque el péndulo describa una on-da senoidal de la misma fre-cuencia que su frecuencia deresonancia mecánica, no voy atener problemas. Pero si intentohacerlo oscilar a una frecuenciadistinta voy a necesitar realizarun esfuerzo con la mano paraevitar que intente oscilar a supropia frecuencia de resonan-cia. En la bocina necesitaré ma-nejar la bobina móvil desde unafuente de baja resistencia inter-na para evitar que haga su mo-vimiento característico. Esto escomo consecuencia de que labobina móvil se transforma enun generador cuando quito rá-pidamente la excitación.

La bocina es, entonces, el equivalente a un circui-to resonante LC pero mecánico, tal como puede ob-servarse en la simulación de la figura 13. Por supues-to que en el ejemplo nosotros exageramos el proble-ma para que sea visible en el osciloscopio. En un ca-so normal se debe medir la distorsión con un medi-dor adecuado pero le aseguro que la misma existe.

Es evidente que si sacamos el resistor R1 y el ge-nerador tiene baja resistencia de salida, la señal quese observará en el osciloscopio es una señal rectan-gular perfecta. Como conclusión podemos asegurarque un amplificador de audio debe tener una resisten-cia interna por lo menos 10 veces menor que la im-pedancia de la bocina y los muy buenos amplificado-res tienen una resistencia interna del orden de las 100veces menos, es decir40mOhm.

Estos valores sólo sepueden conseguir medianterealimentación negativa, asíque en el apartado siguientevamos cobrarle el peaje dán-dole una explicación teóricasobre la realimentación ne-gativa.

Un amplificador PWMes sumamente lineal cuando

está bien diseñado. Y si su frecuencia de portadora essuficientemente alta y el filtro está bien diseñado notiene problema de respuesta en altas frecuencias. En-tonces la única razón por la que podría requerir rea-limentación negativa es la resistencia de salida y enmuchos amplificadores PWM directamente se consi-gue la baja resistencia de salida con el filtro PWM yno se le agrega la menor realimentación negativasimplificando enormemente el circuito.


Todos los amplificadores actuales poseen dobleentrada, lo cual facilita la explicación de la realimen-



Figura 13 - Respuesta del parlanteexcitado con alta resistencia.

Figura 14 - Amplificador sin realimentación.


tación negativa. Precisamente un amplificador opera-cional tiene una entrada directa y otra inversora. Demodo que colocando señal sobre la entrada directa, lamisma se amplifica pero no invierte la fase y colo-cando la señal sobre la entrada inversora, se amplifi-ca y además se invierte. Ver la figura 14.

Observe que la salida es de unos 4 Vpap y no es-tá perfectamente centrada a pesar de que tratamos deajustarla con el corrimiento Offset del generador deseñales. Como se puede observar, la amplificación esmuy alta: 4V/500µV; es decir unas 10.000 veces aun-que observamos que la salida no está perfectamenteen fase con la entrada porque el amplificador ya estáen la zona de corte de altas frecuencias (usamos unoperacional común).

Realizando la misma experiencia pero con inver-sión de las patas de entrada, se obtiene un oscilogra-ma similar pero invertido. Ver la figura 15.

Agregando una resistencia de carga variable yajustándola a la mitad de tensión de salida (es decir2V) se observa que la resistencia de salida del opera-cional es de 20Ω aproximadamente.

Ahora vamos a conectarel amplificador con una reali-mentación desde la salida a laentrada con lo cual pretende-mos varias cosas, comopuede ser: estabilizar el valorde la ganancia y ajustarlo alvalor deseado en tanto seapor lo menos 100 veces me-nor que la ganancia bruta ob-tenida hasta ahora. Incremen-tar el ancho de banda repro-ducido, de modo que el cortede frecuencia se produzcafuera de la banda audible.Reducir la resistencia de sali-da del amplificador para quepueda manejar a la bocina sindistorsión. Estabilizar el pun-to de trabajo de CC para quela bocina no tenga aplicadatensión continua. En la figura16 se puede observar el am-plificador realimentado conun divisor de 10 veces. Aho-

ra la tensión que ingresa a la entrada en forma dife-rencial (entre el terminal + y el - ), para obtener losmismos 4V pap de salida debe ser mucho mayor pa-ra que sigan existiendo los mismos 500uV sobre am-bos terminales ya que la salida de 4V se realimenta ala entrada como un 10% de 4V, es decir 400mV. In-tuitivamente se puede observar que la entrada debeser igual al valor realimentado 400mV + 500µV ne-cesarios para obtener los 4V pap de salida. Por lo tan-to en el terminal + ahora deben ingresar 400mV +500µV = 400,5mV, es decir prácticamente 400mV.Por lo tanto, la ganancia con realimentación es casiigual a la inversa de la atenuación o sea 10 veces. Pa-ra no tener que realizar cálculos se puede llevar la en-trada a 100mV y observar que la salida es de 1V.

En el oscilograma se puede observar que una rea-limentación del 10% lleva la ganancia del amplifica-dor a un valor de 10 veces aproximadamente y queya no se produce el desfase que indica que el ampli-ficador está cerca de la frecuencia de corte superior ylo que queríamos demostrar se hace muy claro, yaque con una carga de 10Ω la salida no se modifica einclusive se la puede hacer menor aun (1Ω) sin que

EL MODULADOR PWM


Figura 15 - Amplificador inversor sinrealimentación.

Figura 16 - Amplificador directo conrealimentación del 10 %.


se produzcan problemas. Laresistencia de salida se puedeestimar como la resistencia desalida sin realimentación divi-dida por la ganancia, es decir2Ω.

En cuanto a la respuesta enfrecuencia de la figura 17 sepuede observar que la mismase mantiene en 10 veces hasta20kHz aproximadamente y re-cién en unos 40kHz se atenúaal 70% La realimentación esun proceso fácil de implementar en los amplificado-res analógicos y por lo tanto ninguno deja de tenerlo.Inclusive podemos asegurar que forma parte integralde un amplificador de modo que no hay opción deuso. Si un amplificador no tiene realimentación sucomponente continua de salida no es la correcta y en-tonces pueden ocurrir dos fallas de acuerdo al tipo deamplificador:

A) Amplificadores viejos o que funcionan en unvehículo en donde sólo hay una fuente positiva de 12o 24V. Estos amplificadores tienen una salida de lamitad de la tensión de fuente (6 ó 12V) y si esa ten-sión se corre a plena excitación, recortan los picos enforma dispareja generando armónicas muy audiblesque limitan la potencia de salida porque obligan a ba-jar el volumen. Como la bocina está conectado a tra-vés de un capacitor no tiene problemas de circulaciónde corriente en reposo. Los amplificadores más mo-dernos poseen una salida en puente que aumenta lapotencia y evita el uso del capacitor. Pero un corri-miento desparejo del puntode reposo genera tensióncontinua sobre la bocina quelo puede dañar permanente-mente.

B) Amplificadores mo-dernos con doble fuente po-sitiva y negativa. La tensiónde salida de estos amplifica-dores debe ser nula porquela bocina está conectado en-tre ese punto y masa. Lainestabilidad de esa tensiónde reposo hace circular co-

rriente por la bocina, esta corriente corre el punto dereposo del cono y produce distorsión. Si es suficien-temente alta puede producir recalentamiento de labobina móvil porque ingresa potencia eléctrica a labocina y no sale potencia acústica.

Los dos problemas implican que los amplificado-res analógicos deben tener una protección contra eldesbalance que corte la salida cuando la tensión enreposo sobre la bocina supera un determinado nivel.


EN AMPLIFICADORES PWM

En un amplificador PWM no es simple introduciruna realimentación negativa. Tomemos los dos casosposibles:

A) Un amplificador PWM en donde la señal in-



Figura 17 - Curva de respuesta en frecuencia.

Figura 18 - Generador PWM y filtro RC.


gresa con formato digital. Por ejemplo los amplifica-dores de minidisc que directamente tienen una entra-da óptica. En este caso hay dos posibilidades. Trans-formar la señal digital en analógica, agregarle la rea-limentación negativa y generar la señal PWM en unmodulador analógico como el analizado en la entre-ga anterior. Pero el uso del filtro PWM genera unerror de fase en la señal sobre la bocina que debe sercompensada en la realimentación, es decir que la se-ñal de la bocina debe pasar por un filtro complemen-tario del PWM y recién después restarse de la señalde entrada debidamente convertida en una señal ana-lógica.

B) Una señal de entrada con formato analógico.En este caso no se requiere conversión D/A pero va-

len los consideraciones an-teriores con referencia a lafase de la señal realimenta-da desde la bocina.

¿Tiene sentido el uso dela realimentación? en unamplificador PWM?

La respuesta debemosbuscarla en los circuitos in-tegrados PWM ya diseña-dos por la industria desdehace varios años. En losapartados siguientes vamosa mostrarle un generadorPWM ultralineal muy sen-cillo que evita el uso de rea-limentación y luego un CIhíbrido comercial que cla-ramente nos demuestra quela realimentación no es im-prescindible.

MODULADOR

PWM ULTRALINEAL

La simplicidad de unmodulador por comparadores realmente Espartana.

EL MODULADOR PWM


Figura 19 - Parámetros del filtro.

Figura 20 - Oscilogramas del modulador PWM.


Prácticamente no tiene cir-cuito ni teoría que explicar.Basta con que el lector sepaque el valor medio de unaseñal rectangular se puedefiltrar y obtener con filtrostan simples como un RC oun LC.

¿Qué filtro usar, depen-de de la carga?

En la figura 18 se puedeobservar un caso particularde filtro PWM para una re-sistencia de carga de 50Ω.

El circuito es experimental para todos aquellosque deseen realizar alguna experiencia práctica o vir-tual. El filtro se obtiene directamente desde el WBMultisim ingresando en la solapa “Tools í Filter Wi-zard” y seleccionando los parámetros que indicamosen la figura 19.

Este circuito es un modulador PWM. En la pata(-) del comparador se ubica la señal a modular (en es-te caso un tono senoidal de 1kHz) de 1V de amplitudde pico montada sobre una continua que también esde 1V. En la pata (+) se ubica una señal triangular de100kHz con una amplitud de 1V de pico tambiénmontada sobre una continua de 1V. Para entender elfuncionamiento del modulador, lo ideal es simularloy levantar los oscilogramas de las dos entradas conun tiempo (100µs/div por ejemplo) que permita ob-servar la sinusoide de 1kHz completa sobre la panta-lla (A). Luego detener la simulación, aumentar eltiempo de barrido horizontal del osciloscopio a 2µs-/div y con el cursor de memoria observar la superpo-sición de las dos señales cerca del punto de pasajepor cero de la sinusoide. Observe que las señales secruzan formando dos semiciclos iguales (B). Poste-riormente vaya al pico positivo de la senoide y obser-vará un cruce que genera un semiciclo positivo cortoy un semiciclo negativo largo (C). Y por último vayaal semiciclo negativo de la senoide y observará unsemiciclo positivo largo y un semiciclo negativo cor-to (D).

En la parte inferior (E) está el oscilograma de lasalida por la pata 1 correspondiente a (C) y el (F) co-

rrespondiente a (D). Ver la figura 20. Por la pata 1,sale un oscilograma con forma PWM cuyo valor me-dio se corresponde con la señal modulante. Paracomprobar este postulado completamos el circuitocon un transistor repetidor para bajar la impedanciade salida del comparador y cargamos en su emisornuestro filtro, cuya respuesta en frecuencia se obser-va en la figura 21.

Lo más importante es comparar la señal del gene-rador XFG2 con la tensión sobre el resistor de cargade 50Ω tratando de encontrar una distorsión impor-tante. Ver la figura 22.

Ud. dirá que hay una fuerte atenuación de la se-ñal por lo que no se entiende su uso como amplifica-dor. En principio vamos a aclarar que este circuito essólo de demostración. El filtro que realmente debe



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

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


utilizarse no necesita tanto rechazo de portadora. Pe-ro para la demostración sí importa, porque en casocontrario no se puede apreciar la linealidad entradasalida y no se puede medir la distorsión. Para que el

lector observe la linealidad de nuestro modulador, enla figura 23 agregamos un medidor de distorsión ar-mónica total que da un exiguo valor de distorsiónmenor al 1% y con un diseño muy simple.

Ahora pasamos a analizarel tema de un filtro más realis-ta que no tenga tanta pérdidade señal a las frecuencias deaudio.

Piense qué ocurriría si elrechazo de portadora es menory nos quedan un par de voltiosde señal de 100kHz. En princi-pio el oído no podría escuchartal frecuencia y además labocina no sería capaz de re-producirla. Por esta razón ypara aumentar el rendimientose suelen utilizar filtros muchomenos elaborados pero que notienen caída de tensión y sonsimples L en serie y C sobre labocina. Ver la figura 24. En es-te caso, sobre la carga se pre-senta una señal con un ripplede 100kHz del orden de los500mV pap sobre una señal de1kHz de unos 8V pap. Ver lafigura 25.

Las variaciones de ampli-tud de la portadora PWM sedeben a la poca elaboracióndel transistor excitador. En esaposición se suelen utilizar eta-pas con transistores MOSFETde conmutación, llamadas Me-dio puente H y excitadores conpush-pull de transistores bipo-lares complementarios tal co-mo lo vimos en la entrega an-terior. La idea es conseguir quela portadora modulada nocambie de amplitud porqueeso genera distorsión, y quetenga una eficiencia de con-mutación muy alta porque esomejora el rendimiento.

EL MODULADOR PWM


Figura 23 - Distorsión armónica total.

Figura 25 - Oscilograma del amplificador PWM con filtro simple.

Figura 24 - Modulador con filtro de bajas pérdidas.


AMPLIFICADORES PWM INTEGRADOS

Por las dudas que alguien piense que todo este te-ma de los amplificadores PWM es aun algo experi-mental, vamos a mostrarle que ya existen integradosde potencia basados en esta técnica que se utilizansobre todo en los grabadores y reproductores deHDDVD que suelen traer 4 amplificadores de eleva-da potencia para generar sonido cuadrafónico. Un in-tegrado muy utilizado para esta función es elTDA8924. No hay mucho para decir de este integra-do. Solo que tiene dos canales porque es una unidadestereofónica de 2 x 120W a 24V de fuente en claseD de alta eficiencia (>90%) y que opera dentro de unrango amplio de tensiones (12 a 30V) de fuente. Re-quiere dos fuentes iguales de diferente polaridadVddp1 y Vssp1 para el canal 1 y Vddp1 y Vssp1.

Las salidas son por Out1 y Out2 y tiene entradasinversoras y no inversoras analógicas IN1+, IN1-IN2+ y IN2-. El integrado tiene su propio osciladorde portadora que se ajusta con un resistor y un capa-citor conectados sobre la pata 7. Estos componentesse ajustan a una frecuencia de aproximadamente

350kHz dado que este integrado utiliza llaves de po-tencia de gran velocidad para reducir al máximo po-sible el valor de los componentes de filtrado PWM.La pata 6 opera como modo de trabajo del integradoy es una entrada tristate que sirve para realizar elcambio de modo Off-ON-Mute. En Off corta la ali-mentación a las etapas de potencia y sirve para no te-ner que usar llaves externas de mucha potencia. EnON el equipo funciona normalmente y en Mute se loutiliza para realizar cortes momentáneos de señal.

En la figura 26 se puede observar el circuito deaplicación del integrado en donde se observa quepuede conectarse tanto en el modo estéreo como enel modo puente monofónico en donde se duplica lapotencia de salida. Observe que el inductor de filtroa estas frecuencias es de tan sólo 10 uHy en tanto queen el diseño del amplificador discreto era de 90µH.El valor del capacitor de filtro es de 15 nF contra0.92µF del diseño discreto. Y todo a pesar de que laresistencia de carga es de 2 Ohms. Digamos que elresto de portadora sobre la bocina es superior al de-jado en el modelo discreto pero la diferencia mayores la mayor frecuencia de portadora que se utiliza eneste caso.



Figura 26 - Circuito de aplicacióndel TDA8920.


LA FUENTE DE ALIMENTACION Y ELECCION DE LAS BOCINAS

51DEFINICION DE LA POTENCIA DE SALIDA

La Fuente de Alimentacióny Elección de las Bocinas

Es hora de concretar y volcar en un kit todo lo aprendido has-ta ahora en nuestro curso de audio digital. Desde quecomenzamos a escribir sobre este tema en Saber

Electrónica he tenido un verdadero “revuelo” de correos elec-trónicos recibidos, que van desde la incredulidad hasta laadoración. A los incrédulos los convencemospidiéndoles que lean el capítulo anterior dondedimos la información para construir un amplifi-cador de 2x120W realizado con un circuito in-tegrado muy pequeño y de bajo costo (al quele interese le indico que se lo puede conseguirpor menos de 25 dólares). Los que quieranque concrete el proyecto porque están deseo-sos de construirlo les digo que ya llegó el mo-mento. En este capítulo empezamos por lafuente, primer eslabón del proyecto. Y comoqueremos hacer un proyecto innovativo va-mos a hacer un solo diseño que genera cuatro fuentes para amplificadores de 12, 24, 50 y100W.

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

INTRODUCCION

Si me preguntan, aseguro que el 90% de los lec-tores elige armar un amplificador de 100W. No seapure, la elección debe ser mesurada porque dependede varias cosas. Entre otras, la más importante es elbolsillo, una víscera muy sensible del ser humanoque a diferencia de lo que dicen los manuales médi-cos es quien controla el funcionamiento de todo elser humano.

Otra es el espacio disponible. No es lo mismo po-ner el equipo de audio en una habitación de 3x3 me-tros que en un salón de 4x9. Y otro es la música desu preferencia. No es igual usarlo para música clási-

ca que tiene una gran cantidad de pianísimos y fortí-simos, que utilizarlo para jaz, rock o música cuarte-ra (que por lo general es la más llena).

En principio vamos a indicar que nuestro proyec-to 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 circui-to impreso y cuando sea posible su propio conector.Este tipo de distribución es muy práctico porque to-


dos los amplificadores actualesson estereofónicos es decir queUd. tendrá siempre la posibilidadde intercambiar plaquetas para fa-cilitar la reparación de su equipo.

LA ELECCION

DE LAS BOCINAS

¿La potencia de una bocinaestá relacionada con su tamaño?

Por supuesto que sí, pero no es una relación di-recta. La energía acústica sale de la bocina en formade presión sonora. La bocina es como un cilindro deauto sin tapa de cilindro; si el motor es moderno sue-le tener un cilindro de mucho diámetro y poco reco-rrido y si es antiguo poco diámetro y mucho recorri-do. Ver la figura 1.

Una bocina de tamaño grande tiene poco recorri-do del cono y puede trabajar con mayor fidelidadporque toma la parte más lineal de las característicasdel circuito magnético. Un cono de menos diámetroestá mucho más comprometido porque el cono debemoverse una distancia mayor y eso lo hace mas ali-neal y además somete a una mayor degradación a losalambres cola de ratón que unen la bobina móvil conlos terminales.

El lector debe considerar que la potencia indica-da en la bocina no es la potencia de salida sino la po-tencia de entrada. Es como evaluar un coche en fun-ción del consumo de combustible y no de su poten-cia mecánica. Lo importante es el rendimiento juntocon la potencia que puede tomar la bocina. Sí, labocina toma 100W de potencia eléctrica pero sólo sa-ca 10 de potencia mecánica. Los 90W de diferenciadeben ser disipados por la bobina móvil que está en-cerrada en el entrehierro. Ver figura 2.

El cono se mueve porque los campos magnéticosen el núcleo del imán y la bobina interactúan entre sí

y mueven la bobina. Pero el cam-po en el núcleo no puede ser ab-solutamente constante; de hechose reduce arriba y abajo y eso ha-ce que el desplazamiento de labobina no siga una ley lineal y seproduzca distorsión.

Cuando compre su bocina noelija un modelo pequeño de pocodiámetro para potencias altas, sal-vo que sea una bocina especialpara automóviles o para TV endonde el tamaño debe ser peque-ño forzosamente. Vea la tabla 1.

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


52DISEÑO DE LA FUENTE DE PODER DEL AMPLIFICADOR

Figura 1 - Igual presión sonora condiferente tamaño de parlante

Figura 2 - Construcción de un parlante

Tabla 1 - Tamaño de bocinas en pulgadas.


cánica y aprovechamiento de la zona del entrehierro.Cuando menor es el entrehierro menor es la reluctan-cia y mayor es el campo magnético en el circuito. Pe-ro hay menos espacio para que se desplace la bobinamóvil y cualquier error de armado hace que la bobi-na roce.

Además, si hay poco espacio no se puede poneruna alambre suficientemente grueso y la bocina noda la resistencia correcta de 8, 4 o 2 Ohm. Inclusivealguno fabricantes recurren al uso de alambre de sec-ción cuadrada (o casi cuadrada porque los ángulosestán redondeados) para poder llenar el entrehierrode cobre y lograr la máxima eficiencia.

¿Se puede medir la eficiencia o rendimiento deuna bocina y la respuesta en frecuencia?

Se puede, pero es necesario tener micrófonos ca-librados y una cámara anecoica (sin ecos). Como es-ta medición está fuera del alcance de un aficionadose la suele reemplazar por algo muy simple: Compa-rar una bocina con otro, conmutándolos con una lla-ve mecánica. Por supuesto ambas bocinas se debenmontar en un panel de madera de dimensiones unas8 veces mayor que el diámetro de la bocina o parlan-te (se lo llama plano infinito). Y se debe escuchar enun recinto bien amplio o al aire libre. La medicióncomparativa se hace entre dos personas, a 1kHz; unacambia de parlante (bocina) y la otra indica qué boci-na es la mejor.

¿Existen muchas diferencias en el rendimiento deuna bocina?

Mi consejo es que compre con los ojos cerradosy los oídos abiertos. Hay muchas bocinas de marcasignotas que tienen una pinta impresionante pero queson casi mudos. Su imán (que es por mucho el com-ponente más costoso) es una miseria, pero está tanbien disimulado con arandelas de hierro anodizadonegro, que parece enorme. Los venden como de 50Wpero yo los probé a esa potencia con 1kHz y la bobi-na se quemó a los 3 minutos. Pensé que la primer leyde la termodinámica no era un invento Chino. Si lapotencia eléctrica entra, pero no sale potencia acústi-ca, significa que la bobina genera calor y se quema.Y si no me cree tome una bocina con el cono roto ter-mine de romperlo; saque la bobina móvil conéctela a

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

¿Qué diseño elijo para mis bocinas?

Depende de la potencia del amplificador y, evi-dentemente, también depende del costo. Por las in-vestigaciones realizadas con bocinas locales de bue-na calidad el costo de una bocina se puede estimar en0,5 dólares por W. En efecto, una bocina de 10Wcuesta unos 5 dólares y una bocina de 100W unos 50dólares. Ud. debe comprar dos y construir dos baflesque pueden costar medio parlante. Por lo tanto pien-se en tres bocinas como costo final. En 10W es uncosto de 15 dólares y en 100W un costo de 150 dóla-res. A continuación vamos a hablar de la fuente quees el otro componente caro de un amplificador y fíje-se que al amplificador en sí mismo lo dejamos parael final porque es lo más barato de todo.

¿Algo más a tener en cuenta?

Aunque su víscera del pantalón le diga qué pue-de gastar 150 dólares, piense en el recinto donde vaa usar el amplificador y qué música le gusta. Si Ud.pone 100 +100W de música cuartetera en un recintode 3 x 3 metros se le van a aflojar los ladrillos. Ne-cesita por lo menos un recinto de 4 x 8 y le va a so-brar potencia. Ahora si Ud. es un diletante de músicaclásica el problema es diferente. La música clásicaposee pianísimos en donde sólo se escucha un ejecu-tante a lo lejos y de pronto ataca toda la orquesta enun fortísimo. Esto requiere que el sistema tenga unrango dinámico muy grande y sin la más mínima dis-torsión por lo que el amplificador no se pone jamásal máximo porque después de la potencia mitad ladistorsión comienza a aumentar proporcionalmente.En este caso debe usar un amplificador de 100 +100W con una bocina en una caja acústica infinitapara no deformar los bajos.

LA FUENTE DE ALIMENTACION POR MODULOS

Una fuente de alimentación clásica tiene un cos-to altamente dependiente del transformador de poder.




Si el diseño usa un transfor-mador fabricado en serie tie-ne un costo bajo. Si el trans-formador hay que mandar afabricarlo especialmente elcosto se puede triplicar. Poreso es preferible realizar undiseño celular y sumar fuen-tes para obtener un costo me-nor (y la posibilidad de armarel equipo en forma inmediatay no esperar el bobinado deltransformador).

Un módulo de tensiónmuy adecuado es 16V por lasencilla razón que es la ten-sión a la que se fabrican lagran mayoría de los capacito-res electrolíticos. Y este componente es el que le si-gue en precio al transformador. El amplificador máschico de nuestra serie sería entonces alimentado por+16V y -16V conseguidos por intermedio de untransformador de 12V + 12V x 1,5A.

¿Qué potencia se puede obtener de esta fuente?.

Si los diodos fueran ideales sin barrera y el trans-formador no tiene caída de tensión, se obtendrían16V de salida. Pero los diodos de fuente 1N4004 tie-nen una caída de tensión de fuente de 0,8V a 1,5A yel bobinado secundario pierde unos 0,2V a esa co-rriente. Por lo tanto no espere más que 15V y comomínimo puede esperar 14V, esto significa que la po-tencia máxima sería de 12,75W con 8 Ohm de carga.Con 4 Ohm se debe utilizar un transformador de 3Ay diodos 1N5404 (de 4A).En este caso la potencia es 2veces mayor es decir 24Waproximadamente. Para ma-yor potencia simplemente seutilizan dos fuentes en seriegenerando una tensión de+32V y -32V nominales o28 reales. La potencia que sepuede obtener es de 50Waproximadamente con unacorriente de 2,5A es decirque se utilizan transforma-

dores de 3A. Cuando se utiliza una bocina de 4 Ohmla potencia es de 100W y se usan transformadores de6A. En la figura 3 mostramos el circuito correspon-diente a la fuente armada con cuatro módulos.

Este fuente se arma siempre sobre la misma pla-queta dejando libre las posiciones de los componen-tes que no se usan. Por ejemplo las fuentes de -15V+15V se arman con 2 transformadores de 12 +12 x1,5A si se trabajan a 8 Ohm y con transformadores de3A si se trabajan a 4 Ohm. Las fuentes de -30V +30Vse arman con 4 transformadores de 12 +12 x 3A sise trabaja con 8 Ohm y con transformadores de 5A sise trabajan a 4 Ohm.

En la tabla 2 se puede observar cómo cambian losvalores de los componentes en función de la potenciade salida.



Tabla 2 - Lista de materiales genérica.

Figura 3 - Fuente por módulos.


Este tipo de disposición de fuente posee un ca-racterística muy deseable en los equipos de audioactuales; al usar 4 transformadores, la altura delamplificador es mucho menor (prácticamente la 4ta.parte) que si usáramos un solo transformador, loque favorece el diseño estético que actualmentebusca equipos chatos. También resulta muy intere-sante como diseño de gabinetes para rack en dondeusa menos altura.

O sea que es un diseño que cumple con las con-diciones de las 3 B. Bueno, bonito y barato. En es-te momento solo queda por diseñar el circuito im-preso de la fuente que será realizado en LW (LiveWire) por su facilidad de utilización. Y como unbuen audiófilo se la pasa probando amplificadoresvamos a explicar como se diseña un buen impreso.

DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO

Para estar seguro de que un circuito no tieneerrores, antes de fabricar el circuito impreso hayque hacer algunas transformaciones y simularlo pa-



Figura 4 - Simulación en LW del circuito de fuente

Figura 5 - Circuito listo para diseñar el impreso


ra analizar su funcionamiento. En principio el LW noune las pistas que están conectadas al símbolo de ma-sa. Esto significa que hay que intercablear todas lasmasas. Luego hay que sacar del circuito todos loscomponentes que no se montarán sobre la plaqueta(por ejemplo los transformadores) yreemplazarlos por un conector aunqueluego soldaremos los cables de los trans-formadores a la plaqueta). En la figura 4se puede observar el circuito modificadopara simularlo en LW y diseñar su impre-so.

Observe que la fuente está probadacon un consumo de 2A, lo que significauna potencia de 60V x 2A = 120W. Estoimplica que el amplificador puede tenerun rendimiento del 80%. En el gráfico delas tensiones de salida se observa que elripple no es precisamente bajo a pesar de

usar capacitores de 6800µF (es un ripple de aproxi-madamente 12%). Pero piense que ese consumo sólose produce cuando el amplificador está generando100W de señal. Es decir que el recinto no es lo quepodríamos decir silencioso. El porcentaje de ripple es



Figura 6 - Diseño automático del circuito impreso.Figura 8 - Ubicación de los compo-nentes con las pistas de goma.

Figura 7 - Preparado paraubicar los componentes.


algo que no se puede elegir sin hacer algunas pruebasprácticas. Los transformadores fueron reemplazadoscon fuentes de tensión para facilitar la simulación yhacerla más precisa. Si quiere realizar su propia si-mulación recuerde que debe predisponer la base detiempos a mano porque la mismano tiene ajuste automático. Piqueen TOOLS í SIMULATION í TI-MING CONTROL y ajuste el “ti-me base” en 1mS.

Ahora hay que despojar alcircuito de todas las fuentes, car-gas e instrumentos para comen-zar el diseño del impreso. Ver lafigura 5. En este dibujo eléctricono tiene importancia el tamañode los componentes pero cuandoel circuito eléctrico se transfor-me en un impreso, el tamaño esfundamental. Por lo tanto se de-be picar sobre cada componentepor ejemplo los C y darles el ta-maño mayor posible. Pique conel botón de la derecha seleccione“convert ass” y luego el compo-nente deseado.

El PCB Wizard se invoca des-de el LW y puede realizar el dise-ño del circuito impreso en formaautomática sin ayuda del usuario.Pero es prácticamente imposibleque un programa pueda ubicarlos componentes precisamentedonde nosotros lo deseamos. Poreso el PCB Wizard al salir delLW pregunta si Ud. desea realizaun diseño controlado, en donde laubicación de los componentes larealizar el usuario en forma ma-nual. Si uno le contesta que deseael diseño automático el circuitodirectamente lo realiza apare-ciendo algo como lo de la figura6. Como vemos el resultado esbastante aceptable porque el PCBWizard se basa en el dibujo delcircuito para ubicar los compo-nentes. Pero hay cosas que no se

pueden aceptar como el tamaño de las pistas. Si biense pueden setear un nuevo tamaño de pista y volvera pedir diseño automático nosotros preferimos reali-zar un diseño guiado que se puede observar en la fi-gura 7. En este caso el PCB Wizard realiza una serie

de preguntas y termina en unaimagen como la de la figura 7.Observe que los componentes es-tán fuera de la plaqueta, unidospor líneas verdes que se llamanconexiones de goma porque seestiran y se retuercen a voluntad.Ahora basta con picar sobre cadacomponente y situarlo en el lugardeseado evitando los cruces depistas girando los mismos paraque queden igual que en el circui-to eléctrico. Ver la figura 8 . Aho-ra se debe pedir TOOLS AUTO-RRUTE y el sistema diseña el im-preso automáticamente luego derealizar algunas preguntas sobreel ancho de la pistas y la separa-ción mínima. Observe la figura 9.Este ya podría ser un diseño uti-lizable realizado en un tiempomínimo. Pero nosotros modifica-mos el dibujo realizando pistamuy gruesas y cambiamos loselectrolíticos por radiales que sonlos mas adecuados para alto rip-ple. El resultado de nuestro tra-bajo se puede observar en la figu-ra 10.

Una infografía de esta pla-queta se puede observar en la fi-gura 11. En la figura 12 se puedeobservar como se conecta estaplaqueta para realizar una pruebacon carga resistiva.

En la figura se dibujó el casode la fuente de mayor potencia(120W). En este caso el resistorde carga debe ser una combina-ción serie o paralelo de resistoresde 25W que puedan soportar lapotencia puesta en juego. Porejemplo 5 resistores de alambre



Figura 9 - Diseño con ubicación manual de componentes.

Figura 10 - Diseño terminado de la plaqueta fuente.

Figura 11 - Infografía de la placa terminada.


de 6 Ohms 25W en serie. Lostransformadores son los indica-dos en la tabla.

PRUEBA DE LA FUENTE

Esta fuente de alimentacióntiene parámetros muy fáciles deprobar y otros no tanto. El pará-metro más importante es la re-gulación que se mide con unsimple multímetro digital. Ud.debe preparar primero la resis-tencia de carga adecuada para lafuente que acaba de armar y quese muestra en la tabla 3 calcula-da para el 20% más que la po-tencia del amplificador. Es decir P x 1,2 = Pf a saber12W í 14,4W R = Vf2/Pf

Además del resistor indicado arriba se debe tenerun resistor de 470 Ohms 1W para realizar la pruebade baja carga. Este resistor simula el consumo de lasseñales del preamplificador y el driver. La mediciónconsiste en cargar el amplificador con la resistenciade 470 Ohms y medir las fuentes positiva y negativaque corresponde al modelo de fuente elegido. No seolvide de elegir las patas adecuadas del puerto de sa-lida de fuentes. Las dos externas para 50 y 100W ylas dos internas para 12 y 24W.

El valor de tensión medido debe ser aproximada-mente +15, +30 y -15, -30V. Luego conecte el resis-tor de la tabla 3 y vuelva a medir la tensión de sali-da. La diferencia debe ser menor a 1V a 15V y de 2Va 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 laregulación es menor pueden ocurrir varias cosas. Lostransformadores son de mala calidad, los diodos nomanejan la corriente adecuada o el capacitor de filtroes pequeño.

Un capacitor de filtro pequeño genera zumbidode fuente. Si Ud. tiene osciloscopio colóquelo sobreel electrolítico de salidapositivo y mida el ripple;luego haga lo mismo conel de salida negativa. Sino tiene osciloscopio usela sonda medidora de RF

en su versión de audio, que el autor cede a todo aquelque la solicite a su correo electrónico. Es una sondadesde audio a 10GHz que complementa el multíme-tro digital.

En nuestro equipo el ripple debe ser del orden del12% de la tensión de fuente. Si el ripple es muy altola única solución posible es aumentar el valor del ca-pacitor de filtro.

En síntesis, la fuente es como el cimiento de unedificio: si no está bien diseñada todo lo demás noimporta. Y además el transformador de fuente es ca-ro y hay que hacerlo fabricar especialmente. En estecapítulo encontramos la solución de este problemautilizando varios transformadores genéricos que pormucho son más baratos que los fabricados especial-mente.

Es probable que el impreso de fuente deba sermodificado para adaptar sus electrolíticos o cambiar-le el tamaño para que pueda entrar en su gabinete.

Intenté explicarles cómo usar el dibujador de im-presos más intuitivo del mundo. Creo que yo apren-dí a usarlo en 5 minutos y me gusta por su sencillezadecuada para el trabajo del hobbysta, por eso se lorecomiendo.



Tabla 3 Resistores de carga para probar las fuentes.

Figura 12 - Cableado de la fuente con carga resistiva de prueba.


AGREGANDO PROTECCIONES AL AMPLIFICADOR

59SISTEMAS DE SEGURIDAD EN EL AMPLIFICADOR DIGITAL

Agregando Proteccionesal Amplificador PWM

Si Ud. es de los lectores que va“armando” en la medida que leeeste libro, entonces ya ha cons-

truído la fuente de alimentación y estabaesperando a este capítulo para construirsu amplificador digital, pues ya estamoscerca del diseño final.

Ahora bien, si diseñamos 4 fuentesUd. podrá suponer que vamos a diseñarigual número de amplificadores. Seequivoca, una de las características delos amplificadores PWM es su versatili-dad. Los MOSFET digitales que utiliza-mos son tan baratos que no tiene senti-do usar diferentes tipos. El diseño estárealizado para el amplificador de mayor potencia y el de menor potencia trabaja más tranqui-lo que agua de pozo. Le sobra tanto paño que se convierte en el sueño del audiófilo: un am-plificador imposible de quemar.

Esta entrega es para concretar la construcción del amplificador PWM discreto. El diseñorealizado hasta ahora fue el básico, sin protecciones y sin disipador. Debemos completarloantes de realizar el circuito impreso. Y si tenemos lugar tal vez tratemos también el diseño delcircuito impreso del amplificador integrado.

LAS PROTECCIONES EN EL AMPLIFICADOR

Para los lectores que recién empiezan a leer laserie vamos a repetir el circuito del amplificadorPWM discreto genérico de 12 a 100W que se puedeobservar en la figura 1.

Antes de dar por terminado el circuito se requie-re agregarle un importante complemento que es unaprotección contra cortocircuito. En principio diga-mos que no hay mejor protección que una etapa desalida que soporte una corriente lo más grande posi-ble. Dentro de la gama de MOSFET existentes en elmercado podríamos haber elegido alguno de menorcorriente pero elegimos el de mayor corriente con en-

capsulado común por un problema de protección in-trínseca. El IRF540 puede soportar 32A de pico y elIRF9540 18A. Como la salida del circuito se encuen-tra después de L1 es improbable que se superen di-chos valores de corriente en un cortocircuito sobre lalínea del parlante. Por supuesto que si el cortocircui-to se mantiene por mucho tiempo los transistores sequeman por sobrecalentamiento aunque sea muy di-fícil calcular cuál es la potencia que se disipa sobrecada MOSFET debido a que las fuentes van a redu-cir su tensión de salida porque la corriente está mu-cho más arriba que la de regulación.

En la práctica un simple fusible de cable coloca-do sobre la salida de la fuente negativa y positiva esya una excelente protección contra cortocircuito y


casi nos animamos a decir que no se requiere nadamás.

Sin embargo, un amplificador moderno debe so-portar un cortocircuito sin necesidad de tener quecambiarle el fusible cada vez que la línea del parlan-te se pone en cortocircuito. Se impone el uso de unfusible electrónico pero dejamos librado al armador

la decisión de dejar al circuito sin fusibles electróni-cos.

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


60LA SECCION DE CORTE POR SOBRECORRIENTE

Figura 1 - Circuito genérico delamplificador PWM.

Figura 2 - Consumo de pico por el transistor inferior 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 8Ohm.

El valor que más nos interesa es la corriente depico máximo por Q1 y por Q2 que ocurre cuando elperíodo de actividad de la PWM es de 99% y 1% res-pectivamente medido según el circuito de las figuras2 y 3. Como se puede observar, en el peor caso la co-rriente por Q1 es de 8,1A para un tiempo de activi-dad de 99%. El caso opuesto se puede observar en lafigura 3. En promedio podemos tomar un valor de8A de pico. En la tabla de la figura 4 se pueden ob-servar los valores para las otros casos obtenidos tam-bién por una simulación.

CALCULO DE LOS RESISTORES

SENSORES DE SOBRECORRIENTE

Aunque aún no conocemos el circuito del fusibleelectrónico ya podemos calcular el valor de los resis-tores sensores porque la tensión sobre ellos debe ge-nerar una caída de 600mV.

Por lo tanto:

R = 0,6 / I adoptada = 50 mΩ para 32V 4Ω;R = 100mΩ para 32V 8Ω y 16V 4ΩR = 120mΩ para 16V 8Ω.

En cuanto al valor de potencia debemos realizaralguna aclaración. El valor de corriente adoptado esun valor de pico. El valor eficaz se debe calcular pa-ra una PWM promedio musical muy difícil de simu-lar en este momento en que todavía no tenemos co-nectado el modulador PWM. Por eso vamos a adop-tar 10 resistores de 0,47 Ohms 1/8 de W para el peorcaso y posteriormente lo confirmaremos.

De cualquier modo el valor del resistor sensor esel elemento de ajuste del sistema y el técnico deberárealizar muchas pruebas antes de elegir el valor defi-nitivo.

CIRCUITOS DE LOS FUSIBLES ELECTRONICOS

Vamos a considerar que cuando se cortocircuitala carga, la misma se comporta como un resistor de0,5 ó 1Ω ya que es muy difícil que el contacto preca-rio de dos conductores tenga un valor de resistencia



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


menor. Así podemos anali-zar que toda la corriente dela fuente positiva de 32V ode 16V pasa por el resistorsensor, el transistor superiory va a masa por el choque yel cortocircuito. En total po-demos realizar una estima-ción de 1Ω lo cual significaque circulan 32A en el peor caso. En conclusión re-comendamos la utilización de fusibles electrónicoscuando se usen 32V y 4 Ohm de parlante. El circui-to es metaestable cuando se realiza un corto sobre elparlante debido a la ausencia de realimentación ne-gativa.

En la figura 5 podemos observar al transistor su-perior sin excitación y cargado con un parlante de 0,5Ohms.

Observe que la corriente que circula no alcanzani para quemar un BC848. En efecto, la compuertaqueda conectada a fuente y esto implica que el tran-sistor está cortado. Recién cuando la excitación ge-nere en el gate un pulso inferior a masa, Q2 conduci-rá a pleno.

Lo mismo ocurre con el transistor inferior quepodemos observar dibujado en la figura 6. Observeque cambiamos la ubicación de los materiales paraque el circuito parezca más entendible al ser observa-do. De este modo el terminal positivo de la bateríaqueda conectado al drenaje del transistor pero éste nopuede conducir porque el gate está conectado al ter-minal de fuente por el resistor R7. La corriente quecircula por el circuito es la de fuga del MOSFET queeste caso es de 32µA. A priori podemos asegurar quesi se corta la excitación en presencia de un cortocir-cuito en la salida los transistores quedan perfecta-mente protegidos como se puede observar en la figu-ra 7.

Un amplificador PWM bien diseñado tiene unaventaja intrínseca con respecto a un amplificadorpush-pull. Para proteger los transistores MOSFET depotencia basta con cortar la excitación que es un cor-te en una zona de baja energía. En la figura vemosqué ocurre con una carga en semi cortocircuito. Elamplificador se excita con la llave J1 abierta y obser-va que el consumo sobre la fuente V2 supera los 9amperes. Si en ese momento se corta la excitación, el

consumo llega a valores insignificantes demostrandoque sólo hay que sensar el consumo de fuente y ope-rar una llave que corte la excitación.

En el proyecto definitivo el oscilador de portado-ra se fabrica con un 555 y como sabemos el mismocuenta con un terminal de encendido. Es decir quesólo debemos prever un transistor que opere dichoterminal. En la figura 8 el modulador PWM estáreemplazado por un generador de funciones y unallave controlada por tensión.



Figura 6 - Transistor inferior en cortocircui-to sin excitación.

Figura 5 - Corto sobre la salida contransistor superior sin excitación.

Figura 4 - Tabla de corrientes de pico de fuente.


Nos queda por explicar el circuito PWM comple-to con su protección por sobrecorriente. Los resisto-res sensores de sobrecorriente se pueden ubicar en ellugar más conveniente del circuito. Por ejemplo R6conviene colocarlo en el retorno a masa de la fuente

de 32V con un capacitorelectrolítico C5 en paralelo.Como se trata de una fuentenegativa el capacitor electro-lítico se conecta con su ter-minal negativo a masa. So-bre C5 existe, por lo tanto,una tensión continua propor-cional a la corriente consu-mida de la fuente. Cuando latensión sobre él, supere los700mV conduce el transistorQ6 y opera la protecciónmediante todo el tiempo quedure la sobrecarga.

R8 es un resistor separa-dor que evita que se queme

la base de Q6 cada vez que se produce una protec-ción. En efecto, la baja impedancia de la tensión dealimentación de base de Q6 es muy capaz de hacercircular una corriente muy elevada por la misma sino se agrega el resistor separador que la limita.



Figura 7 - Protección por corte de la excitación.

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

de fuente y los resistores R6 y R2.


C6 es un segundo filtrado de la tensión continuade base de Q6 que garantiza que el mismo opere co-mo una llave sin generar ripple sobre el colector. Elresistor sensor de la fuente positiva no está colocadosobre el retorno sino sobre el positivo de la fuente de32V. De este modo, cuando se produce un pulso desobrecorriente se genera una tensión positiva sobre labase con respecto al emisor que se encuentra conec-tado a la fuente positiva para que la juntura de colec-tor de Q5 quede polarizada como corresponde en in-versa. La red sensora R2, R11 y C12 cumple las mis-mas funciones que la anterior. El colector se envíacon un resistor R10 de 10kΩ a la base del transistorllave de corte para que este interrumpa la generacióndel oscilador de portadora y de ese modo se inte-rrumpa la excitación del driver y la salida.

De esta forma, terminamos de explicar el funcio-namiento completo del amplificador de audio PWM,al cual le faltaba la sección más importante que es lasección de protección de sobrecorriente. Primeroaclaramos el tema de la metaestabilidad de los ampli-ficadores PWM que les permite funcionar en muchoscasos sin ninguna protección o simplemente protegi-dos con un fusible. Una de las cosas más complejasde los equipos de audio es conseguir que no se que-men cuando el usuario descuidado pone un cable de

parlante en cortocircuito. Después de tantos años deuso de las etapas push-pull los ingenieros de diseñose dieron cuenta que unos de los problemas de lasprotecciones se encuentra en la realimentación nega-tiva que tienen todos los amplificadores analógicos.Dicha realimentación se toma desde la salida del am-plificador y cuando ocurre un cortocircuito el equipose queda sin realimentación negativa y oscila que-mando a los transistores de salida, driver etc.

Como el amplificador PWM no necesita reali-mentación no presenta este problema y por lo tantoposee un funcionamiento intrínsecamente estable.Esto, sumado al hecho de la elevada corriente que so-porta un MOSFET y su baja resistencia interna nospermiten realizar amplificadores durables y de eleva-do rendimiento.

Y por último, la bocina está siempre conectada alos transistores por un choque cuya inductancia evitaque los MOSFET que trabajan con pulsos de 100kHzo más entreguen una corriente de cortocircuito. A lasuma entregan la corriente que deje pasar el inductor.

Ahora nos falta diseñar el circuito impreso de es-te amplificador con un laboratorio virtual Live Wirey su programa de diseño de circuitos impresos PCBWizard.




DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO DEL AMPLIFICADOR DIGITAL

65ARMADO Y PRUEBAS

Diseño del Circuito Impresodel Amplificador Digital

Para diseñar un circuito impreso hay que utili-zar una mezcla de ciencia y arte. Lamenta-blemente los pocos libros dedicados al dise-

ño de circuitos impresos que existen en el mundoson simples manuales de uso de programas de di-seño 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 ysi debemos sacrificar algo de la elegancia del dise-ño en función de la funcionalidad no dude en reali-zar el sacrificio.

Los programas de diseño de impresos ya son losuficientemente avanzados como para generar elcircuito impreso a partir del circuito eléctrico. Hayprogramas muy avanzados pero que siempre re-quieren decisiones del usuario. Por ejemplo, todoslos circuitos impresos suelen tener un conector deentrada, otro de salida y un determinado lugar don-de deben ser colocados. El programa no puede sa-ber dónde ubicar los conectores y qué tamaño yforma darle a la plaqueta.

Para mi gusto personal lo mejor es un diseño asistido. Dejarle hacer al programa una bue-na parte del trabajo pero reservarme la toma de decisiones sobre dónde ubicar cada compo-nente y sobre todo darle las dimensiones a la plaqueta y la ubicación de los conectores deentrada y salida. Posteriormente, y sobre todo si se trata de una plaqueta que maneja poten-cias importantes, se deben revisar el ancho de las pistas de tierra y fuente.

INTRODUCCIÓN

¿Qué programa vamos a usar para diseñar nues-tro circuito impreso?

Programas hay muchos. El WB Multisim tiene suprograma de diseño de circuitos impresos muy com-pleto pero muy poco intuitivo y difícil de usar. Para

nuestros proyectos preferimos usar un programa muybásico pero de lo más intuitivo: el Live Wire y suprograma de diseño de circuitos impresos el PCBWizard. Y además es el único programa que comoproducto terminado entrega prácticamente una foto-grafía en colores de la plaqueta armada y todos loslayout que Ud. se pueda imaginar.

La mayoría de los fabricantes de circuitos impre-


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

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

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

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


66INTERCONEXIÓN DE ETAPAS

Figura 1 - Circuito preparado para eldiseño del impreso en el programade simulación.


EL DIBUJO DEL CIRCUITO ELECTRICO

PREPARADO PARA EL IMPRESO

Una cosa es un circuito eléctrico para simular yotra muy diferente es el mismo circuito preparadopara diseñar el circuito impreso. Lo primero a consi-derar es que las conexiones de tierra y de fuente nopueden estar realizadas por el símbolo de tierra ofuentes sino que deben estar unidas por conexiones.Si Ud. no lo hace así el simulador no sabe cómo in-tercalar las tierras. Es decir que puede conectar lastierras en cualquier lado siendo que realmente las tie-rras tienen un lugar perfectamente determinado don-de deben ser conectadas.

Vamos a redibujar nuestro circuito del amplifica-dor PWM uniendo las tierras por cables de un modoadecuado. Ver la figura 1.

La preparación de este circuito se realiza anali-zando las tierras las fuentes y observando la ubica-ción de componentes para evitar que se crucen laspistas. Por ejemplo R10 está cruzando las conexionesdel choque y del parlante pero eso no tiene ninguna

importancia porque lo hace por los cables posterioresa la bornera. El único salteo que debe realizar es so-bre el conductor de tierra y allí se ubicará el cuerpode resistor. Luego la tierra debe llegar hasta el emi-sor de Q6 y lo hace por debajo de R14.

Tenemos tres cruces debajo de CN2 pero los mis-mos son conexiones a la fuente y no molestan. Y porúltimo la conexión de tierra del conector de entradaque está previsto que pase por debajo de R16.

A pesar de todas estas vueltas, este circuito esperfectamente funcional y es aconsejable realizar lasimulación correspondiente para estar seguro de nodiseñar el circuito impreso sobre un circuito eléctri-co equivocado.

Al tener el circuito funcionando se debe realizarun análisis de circulación de corrientes con el mismocursor del LW. En efecto, cuando la simulación ope-ra (pulsando F9), debajo del cursor se observa la ten-sión del cable con respecto a tierra y la corriente quepasa por el mismo. En nuestro caso se debe colocarun generador de funciones sobre la entrada con unaonda rectangular a una frecuencia de 100kHz y una


67ARMADO Y PRUEBAS

Figura 2 - Circuito eléctricofinal del amplificador PWM.


tensión de 5V y ajustar el tiempo de actividad en un20% para hacer funcionar al MOSFET superior. Lue-go se pasará el tiempo de actividad a 80% para hacerfuncionar el MOSFET inferior.

El LW no tiene ajuste automático de la base detiempo de trabajo, por eso se la debe ajustar a manoentre 1S y 1µS. En nuestro caso usamos la mayor ve-locidad posible que es 1µS. Pulse TOOLS, SIMU-LATIONS, TIMING CONTROL y en la ventana in-ferior seleccione 1uS. Luego pulse F9 y la simula-ción comenzará a correr. El LW no tiene pantalla deosciloscopio así que deberá picar sobre el oscilosco-pio y colocarle los ejes correctos a un gráfico V/t.

Observe que la corriente del MOSFET superiorviene de la fuente +32, pasa por los resistores senso-res y alimenta al terminal de fuentede Q2 luego sigue por el cable al in-ductor, lo atraviesa y vuelve a entrara la bornera donde se deriva a tierrapor los capacitores y por el parlanteformando un lazo corto que debeconstruirse con pistas bien anchas.Por afuera de la plaqueta la corrientevuelve a la fuente por el cable de tie-rra de la fuente positiva.

La corriente por el MOSFET in-ferior viene de la fuente de -32V di-rectamente a Q1 y de allí a la salidarecorriendo el mismo camino queantes llega al terminal de tierra delparlante de allí a los resistores senso-res y al terminal positivo de la fuen-te de 32V. Otro camino corto que de-berá reforzarse. En realidad, el co-nector CN3 debería tener un bloquepara cada cable de tierra de los tresparlantes del bafle, cosa que vamos acorregir antes de pasar al dibujo delimpreso.

Los tres bloques de tierra se co-nectarán entre sí. El siguiente cami-no, pero ahora de corriente media esel de los transistores TIP. Este no tie-ne mayores problemas porque ingre-sa por la fuente positiva y sale por lanegativa atravesando los transisto-res. La tierra se continúa por la parte

inferior del circuito y llega hasta la entrada por la pa-ta superior de CN4.

Para pasar al programa de diseño de circuitos im-presos debemos sacar los instrumentos utilizados pa-ra la simulación, las fuentes de alimentación, el par-lante y el choque de filtro. Sólo debemos dejar loscomponentes que se colocan sobre la plaqueta de cir-cuito impreso, de esta manera nos quedará el circui-to final del amplificador, mostrado en la figura 2.

Estando sobre este circuito debe minimizar el LWy correr el PCB Wizard luego volver a abrir el LW yhacer TOOLS>CONVERT>DESING TO PRINTEDCIRCUIT BOARD. Apareceran una serie de panta-llas que nos permiten indicarle al PCB Wizard cómoqueremos operar. La primera está predispuesta por



Figura 3 - Primer pantalla de Wizard

Figura 4 - Acomodamiento parcial.


defecto en diseño automático. Nosotros vamos a pre-disponerla en la opción inferior para realizar el dise-ño manual, pero le aconsejamos que pruebe el dise-ño automático para comparar luego los resultados.

Pulsamos next y aparece una pantalla que nos in-dica si deseamos dejar la dimensiones por defecto oelegir nuevas dimensiones de la plaqueta. Optamospor elegir y estimamos unas medidas de 200 x 200mm para comenzar. Luego estas medidas pueden sercambiadas a medida que avanza el diseño. Pulsamosnext, aparece la lista de materiales del proyecto. Aquípodemos elegir el tamaño de algunos componenteshaciendo doble click sobre ellos para que nos presen-te las opciones. En nuestro caso vamos a cambiar losresistores sensores de corriente por otros de mayortamaño y los capacitores cerámicos disco asignadosa los capacitores de filtro por otro de poliéster. Tam-bién elegimos un encapsulado TO220 para los MOS-FET. La siguiente pantalla pregunta si el circuitocontiene alguna fuente invisible para circuitos digita-les; como éste no es el caso seguimos adelante con lasiguiente pantalla.

La misma pregunta si deseamos que el programasitúe automáticamente los componentes, luego de loscambios realizados. Le sacamos la selección por de-fecto en la pregunta superior y seguimos ya en lapantalla final; aprobamos todos las selecciones pul-sando en convert. Abrimos el PCB Wizard y en él te-nemos la plaqueta y todos los materiales debajo delborde inferior, unidos con lo que se llaman tiras degomas dibujadas en verde. Ver la figura 3.

Ellas nos per-miten trasladar elmaterial sin perderla conexión a otrosmateriales. Lo pri-mero que se acon-seja es estimar eltamaño de los ma-teriales y la plaque-ta. A simple vistase aprecia que laplaqueta es dema-siado grande y queconviene modifi-carla. Mi experien-cia me indica queun ancho igual al

del grupo de materiales y una altura igual a la mitadpuede ser una buena elección. Y ahora lo primero esubicar las borneras. Picar arrastrar, pegar y girar co-mo en cualquier dibujador, es el trabajo que Ud. de-be realizar. En este caso buscamos desenredar las ti-ras de gomas para que no se crucen. En la figura 4 lemostramos un trabajo parcial.

Por ejemplo, CN1 está bien colocado porque lapata izquierda está dirigida a Q3 como lo indica elcircuito de la figura 2. En cambio CN2 está inverti-do porque la pata de Q4 está a la derecha. Procede-mos a girarla y así con todos las otras borneras siem-pre tomando el ejemplo del circuito preparado. Acontinuación debemos orientar los transistoresMOSFET y bipolares. Los MOSFET se orientan conlas conexiones a fuente (sólo que el superior se co-necta a través de los resistores sensores que convie-ne subir en bloque) y los bipolares poniendo las ba-ses hacia la entrada (pegue C7 y R16 para orientar-se). Y un ratito después puede tener un circuito im-preso casi definitivo como el que le mostramos en lafigura 5 y 6 y que tiene unas dimensiones de unos 11x 12 cm y, aunque parezca increíble está práctica-mente vacío.

EL TRAZADO DE LAS PISTAS

Si Ud. siguió todas nuestras indicaciones puededejar que el programa realice el trabajo mas arduoque es el trazado de la pistas. Esto se realiza ingre-


69ARMADO Y PRUEBAS

Figura 5 - Preprototipo Layout. Figura 6 - Preprototipo vista real.


sando a la solapa TOLL>AUTORUTE>ROUTEALL NET, entonces aparece un cuadro de diálo-go que pregunta si desea realizar pistas diagona-les, si acepta puentes con cables (en caso de sernecesarios) y si acepta plaqueta de doble faz. Yosaqué todas las selecciones y en la solapa de an-cho de pista puse pistas de 0,60” (1,52 mm) deancho y que trabaje sobre una grilla de 0,1” (2,5mm) de picht. Estos datos dependen del tipo dedispositivo que Ud. vaya a diseñar. En este casono tiene sentido hacer pistas finas cuando la pla-queta tiene fines demostrativos y tiene que ser lomás robusta posible. Además nuestros MOSFETvan a requerir un considerable disipador y no tie-ne sentido hacer una plaqueta mas pequeña.Cuando se trabaja industrialmente se cuida el ta-maño de la plaqueta con una gran dedicación de-bido a su elevado costo.

En la figura 7 podemos observar el diseñorealizado automáticamente por el autoruter delprograma en sólo 2 segundos. Seguramente si lomiramos con un gran detalle vamos a encontrarmuchos puntos donde un humano lo hubiera re-suelto mejor. Pero seguramente que no lo habríahecho en 2 segundos. De cualquier modo el Wi-zard no es celoso y nos permite retocar todo loque deseemos hasta lograr el circuito impresoque para nosotros sea perfecto. Lo que no pode-mos negar es que la grafica tipo fotografía quemostramos en la figura 8 es implecablementebuena y hasta tiene pintadas las bandas de los re-sistores. Podemos decir que la base de nuestraplaqueta ya está diseñada pero debemos corregiralgunos detalles y realizar el diagrama de cone-xionado que por otro lado es muy simple. Paracorregir podemos enumerar los detalles:

1) Poner marca y modelo de plaqueta impre-sa en el cobre y en la impresión.

2) Correr los textos para que queden en lu-gar visible

3) Agregar agujeros de anclaje4) Agrandar la tierra5) Prever otros tamaños de capacitores de filtro y

electrolíticos6) Agregar lugar para el numero de serie7) Revisar probables lugares donde las pistas es-

tén peligrosamente cercanas.8) Agregar el nombre de las conexiones externas.

En la figura 9 se puede observar la plaqueta mo-dificada con las pistas corregidas y las tierras agran-dadas. En este sentido el programa no puede ser másintuitivo. Si Ud. pica sobre una pista la misma sevuelve marrón y significa que está editada para sumodificación. Si pica dos veces sobre ella, le apare-



Figura 7 - Circuito impreso resuelto automáticamente por el PCB Wizard

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


ce un cuadro de diálogo en donde le preguntan quéancho de pista desea. Si pica una vez, puede movertoda la pista en el sentido que desee. Si pica en unapunta, puede estirarla o contraerla. Si desea dibujaruna nueva pista ingrese en el ícono correspondiente.Pique donde quiere comenzar, lleve el cursor en don-de quiere terminar y suéltelo allí. Para correr los tex-tos de componentes pique arrastre y suelte. Y paragenerar dibujos (por ejemplo las perforaciones de

montaje) entre en la solapa INSERT>PICTUREy seleccione el ícono. En la figura 10 se puedeobservar la infografía correspondiente.

EL DISIPADOR TERMICO

¿Se calientan los MOSFET?

No hay dispositivo con rendimiento unitario.Los MOSFET transforman energía continua defuente en alterna para la carga LRC. Y esa trans-ferencia se realiza con un rendimiento elevadocercano al 90% pero nunca del 100%. Teórica-mente si los MOSFET fueran infinitamente rápi-dos, con resistencia interna nula cuando estánconduciendo, e infinita cuando están abiertos, laetapa tendría un rendimiento del 100%. Pero esosMOSFET no existen; nosotros usamos los másrápidos que se consiguen en América hispanopar-lante pero alguna perdida tienen. Si son de buenaprocedencia pueden perder el 10% de lo quetransfieren.

Recuerde que nuestro amplificador más chicoes de 12W y el más potente es de 100W. Esto im-plica que el más pequeño disipará 0,6W por cadaMOSFET y no requerirá disipador. El mas gran-de disipará unos 5W por cada MOSFET y conuna lámina de aluminio de unos 5 cm de alturaque tome ambos transistores podrá disipar la po-tencia requerida. El diseño esta preparado paraque esta lámina pase pegada sobre cada chapa demontaje de cada MOSFET que incluso tienenagujeros extras para sus patas para que el disipa-dor no quede inclinado. Por lo tanto monte losMOSFET en el disipador y luego elija los aguje-ros para sus patas, montando el disipador arma-do. Ver la figura 11. Es muy difícil calcular la re-sistencia térmica de un disipador porque todo de-

pende del entorno del mismo. Si un disipador está ro-deado de materiales, el aire no toca toda su superfi-cie y el mismo pierde efectividad. Lo mismo ocurresi no está vertical porque se forman remolinos. Otracosa importante es que el disipador tenga una buenaentrada de aire por su parte inferior; observe que no-sotros realizamos 6 agujeros para que entre aire fres-co por ellos. Pero esos agujeros no van a tener nin-gún efecto si la plaqueta está apoyada sobre un piso


71ARMADO Y PRUEBAS

Figura 9 - Layout definitivo.

Figura 10 - Infografia definitiva.


de cualquier material. El diseño requiere una luzde 2 cm entre la plaqueta y el piso.

Todo eso significa que el disipador se debediseñar por prueba y error haciendo funcionar elamplificador a plena potencia y midiendo la tem-peratura sobre el disipador del lado contrario alchip del MOSFET con una termocupla para mul-tímetro digital.

Recuerde que la vida de un MOSFET depen-de de la temperatura final e inicial de su chip, in-clusive si el chip está muy lejos de la temperatu-ra de fusión. En efecto, aunque el chip esté a100ºC existe una dilatación al encendido y unacontracción al apagado que va despegando elchip del disipador con cada ciclo de frío calor,hasta que finalmente lo desprende.

ARMADO, CONEXIONADO Y PRUEBA

Realmente la información grabada en la plaquetay todo lo explicado hasta ahora nos exime de realizarmayores comentarios sobre el armado. Nuestra pla-queta está preparada para contener todos los compo-nentes salvo el choque de filtro, el parlante, las fuen-

tes de alimentación y el modulador PWM que com-pletaremos en la próxima entrega. En el momento ac-tual Ud. sólo podrá probar el amplificador con nues-tro generador de portadora realizado con un 555, unoscilocopio (o la sonda de audio que puede bajar gra-tis de www.picerno.com). Pero por ahora considera-



Figura 11 - Disipador montado en la plaqueta.

Figura 12 - Cableado final.


mos que tiene suficiente trabajo y que yapodemos indicarle cómo conectar el ampli-ficador y las fuentes que ya le enseñamos aconstruir en la entrega anterior.

Nuestro amplificador tiene 4 conectoresdel tipo bornera que son los más adecuadospara el trabajo en audio. Sólo necesitamoscablear las borneras con cables de 1 o de1,5 mm2 de sección para las borneras CN1,CN2 y CN3. La bornera de entrada CN4puede ser cableada con cable de 0,5 o 0,75mm2.

En la figura 12 se puede observar el ca-bleado definitivo.

Nota 1: Las dos conexiones de tierraque quedan libres en CN3 son para el twe-eter y el reproductor de medios

Nota 2: La fuente debe tener tierras se-paradas para la sección positiva y negativa porque encaso contrario falta protección de fuente negativa.Como la fuente diseñada hace dos entregas tenía lastierras unidas, entregamos un nuevo circuito impresopara la misma.

De esta manera cumplimos brindándole lo másmoderno en amplificadores de audio, los amplifica-dores digitales tipo PWM que, a no dudarlo van areemplazar a todos los amplificadores de bajo rendi-miento que se utilizaron hasta el día de hoy.

Y si cree que no es así curiosee por las seccionesde audio de los LCD, PLASMA u Homes y trate deencontrar un amplificador clásico. Ya no existen, notiene lógica usar un amplificador que consume más,se rompe más frecuentemente, queman los parlantesy tienen la potencia máxima limitada porque ya no sepueden refrigerar más.

Y los PWM son sólo la punta del ovillo; atrás vie-nen los parlantes digitales y los conjuntos digitalesde parlantes que llegan a producir la conversión A/Den el mismo oído del usuario. Luego sólo queda elcasquete digital de la ciencia ficción que se transfor-mó en ciencia real, porque ya existen sordos que uti-lizan modelos experimentales. Del receptor (o mediode almacenamiento) al cerebro. Esto es posible hoy,nosotros queremos darle la primicia y queremos queexperimente del modo mas económico posible.

Le vamos a dar todos los datos como para queUd. use restos de equipos (se acuerda con qué cons-truimos el inductor de filtro) pero para los que lo de-seen vamos a tener disponible en poco tiempo varioskits para armar amplificadores escalables (puede em-pezar por el más modesto e ir agregándole piezashasta llegar a los de mayor potencia) amplificadorespara el automóvil de esos que se escuchan de lejos yle prometemos introducirnos en el mundo de los ba-fles y los parlantes digitales.

Que el mundo sea verde depende de todos noso-tros. Si hoy se cambiaran todos los amplificadoresclásicos por amplificadores digitales sobraría ener-gía. El autor está recabando datos sobre la energíadesperdiciada en los equipos electrónicos con la in-tención de escribir sobre la tecnología verde.

¿No sabe lo que es la tecnología verde?

No se preocupe, es un tema tabú porque los inte-reses puestos en juego son muy grandes, pero noso-tros los vamos a develar científicamente como paraque todos lo comprendan y obliguen a las empresasa diseñar productos que cuiden el medio ambiente.Sin embargo, Saber Electrónica está siempre del ladode los lectores y por ello el tomo anterior de laColección Club Saber Electrónica fue dedicado jus-tamente a la electrónica de las energías verdes.


73ARMADO Y PRUEBAS

Figura 13 - Circuito de fuente con tierras separadas.


DISEÑO DEL GENERADOR DE

PORTADORA Y DEL MODULADOR

Nuestro generador de portadora funciona en100kHz como ya lo habíamos adelantado. No es queno se pueda usar otra frecuencia pero todo es una de-cisión que debe ser sabia y equilibrada. A una fre-cuencia, mayor los MOSFET pueden tener una velo-cidad de conmutación comparable con el período dela portadora y generar pérdidas de rendimiento. Auna frecuencia menor, el filtro es más difícil de hacery se requiere un núcleo mas grande y un alambre másgrueso para el inductor y los capacitores deben so-portar una mayor corriente. En este mismo curso des-cribimos un amplificador integrado que funcionaba a250kHz de portadora y los hay que funcionan a500kHz y si no llegan mas arriba es porque ya entra-mos en la banda de OM (onda media de 530 a1650kHz) y las interferencias pueden ser imposiblede evitar. En realidad, son imposibles de evitar, y en-tonces se copia la solución de los grabadores de au-dio que usaban una portadora de premagnetizaciónque producía interferencias en AM. Se agrega unallavecita que cambia un 2% la frecuencia de portado-ra para pasar la interferencia a otra emisora.

En la figura 14 se puede observar el circuito deun astable con posibilidad de ajuste por arriba y pordebajo del 50% de tiempo de actividad cambiandoresistores. Observe que la numeración de los compo-nentes del generador de portadora va del 10 al 20 pa-ra diferenciarlos de los componentes del amplifica-dor de potencia y los del mo-dulador del 20 al 30.

La carga se produce porR11, D11 y C11 hasta que losterminales 2 y 6 unidos reco-nocen que debe terminar lacarga y comenzar la descargaque se realiza por D12 y R12y el transistor interno de des-carga, conectado sobre la pa-ta 7. Cuando los terminales 2y 6 unidos reconocen que de-be terminar la descarga vuel-ven a comenzar un nuevo ci-clo de carga y así sucesiva-mente. Como la carga se rea-

liza por R11 y la descarga por R12 el circuito permi-te ajustar independientemente el período de actividady de inactividad del generador (si fuera necesario)modificando dichos valores. Por supuesto que la fre-cuencia cambiará levemente, pero eso no tiene nin-guna importancia en nuestro caso porque da lo mis-mo 100kHz que 95 ó 105. En la pata 3 se obtiene unaseñal cuadrada perfecta de 12V pico a pico sobre unaresistencia de salida de 100 Ohm (R13). Con esta se-ñal debemos generar un diente de sierra sobre C13 deuna amplitud pico a pico de 500mV cargándolo ydescargándolo por medio de R18. Sobre C13 se ob-tiene un valor medio que no puede ser otro que la mi-tad de la tensión de fuente, ya que C13 se carga lamitad del tiempo desde 12V y se descarga a tierra laotra mitad del tiempo.

En la figura 15 se puede observar el oscilogramasobre C13 abajo comparado con la pata 3 del 555.

El 555 es el único dispositivo de la cadena que



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

Figura 15 - Oscilograma sobre C13.


trabaja con una fuente única de 12V y la tensión me-dia de 6V sobre C13 no es adecuada para la siguien-te etapa que funciona con fuente partida de +12V y -12V. Por eso el circuito termina con un repetidor detensión Q11 para bajar la impedancia de salida de laetapa y un capacitor de acoplamiento C14 referido atierra por R10. Sobre R10 se obtiene un oscilogramacon forma de diente de sierra con valor medio nulogracias al desacoplamiento producido por C14. En lafigura 16 se puede observar el oscilograma de salidacomparado con la pata 3 del 555.

Recuerde que este circuito tiene una entrada deprotección que es la pata 4 (reset). Cuando esta pataestá a potencial bajo, la portadora se corta y el ampli-

ficador de salida se queda sin excitación y se prote-ge. Por lo tanto para hacer funcionar a la etapa se de-be realizar un puente entre la fuente de 12V y la en-trada de protección.

La versión definitiva del modulador ultralinealacoplado al generador de portadora se puede obser-var en la figura 17. vemos que es un circuito muysimple que nos permite entender el proceso de la mo-dulación con absoluta sencillez, aunque de mas estádecir, que si el lector trabaja realmente con la simu-lación va a lograr una comprensión mucho más pro-funda del tema. Repasemos el funcionamiento usan-do el generador de funciones XFG2 como fuente deCC. En la pata inversora se coloca la portadora dien-te de sierra, que es una señal como la indicada en lafigura 16 es decir un diente de sierra con un valor mí-nimo 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 laportadora pase por cero hacia arriba se producirá unflanco ascendente de la salida. Cuando pase por cerodescendiendo se producirá un flanco descendente.Así se genera una salida con forma cuadrada y losdos transistores del semipuente de MOSFET no ge-neraran ninguna resultante sobre el parlante. Si pone-mos una tensión continua de 150mV la señal PWMde salida queda con un período de actividad largo yel semipuente genera una tensión continua positiva


75ARMADO Y PRUEBAS

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

Figura 17 - Circuito del modu-lador adecuado para diseñar elcircuito impreso.


sobre el parlante porque el MOSFET superior condu-ce más tiempo que el inferior. Si ponemos una ten-sión continua de entrada de -150mV, la PWM de sa-lida tendrá un tiempo de actividad corto y el semi-puente generará una tensión negativa sobre el parlan-te porque el MOSFET superior trabaja más tiempoque el inferior.

Si coloca una forma de onda compleja como mú-sica o voz humana, el modulador modulará el tiempode actividad en forma tal que sobre el parlante podrárecuperar 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 delsemipuente verá que no varía cualquiera sea la señalde modulación que se coloque en tanto no sobrepaseel 100% de modulación que es cuando los semi-períodos se cortan por completo.

A diferencia de un amplificador analógico el re-corte por sobremodulación es un corte neto, es decirque la tensión de fuente se aprovecha por completo yla distorsión no aumenta gradualmente a medida quenos acercamos al punto de recorte. La distorsión semantiene hasta el final en el valor nominal del ampli-ficador.

EL CIRCUITO EN LIVE WIRE PREPARADO PARA

DISEÑAR EL CIRCUITO IMPRESO

Como se puede observar existe una conexiónprácticamente imposible de no entrecruzar que es laque lleva la protección a la pata 4, así que se la dejacruzada y posteriormente se tratará de resolver lomejor posible con el diseño de las pistas.

Como esta plaqueta se utiliza al lado de la de po-tencia, se le da al PCB W un tamaño de plaqueta conla misma altura (122 mm) y en principio 120 mm delargo que seguramente luego serán reducidos.

Todos los capacitores de desacople serán cerámi-cos porque no tiene importancia la variación de la ca-pacidad con la temperatura. En donde sí importa, pa-ra que no fluctúe la frecuencia, es en el capacitor derelajación C11 y en el capacitor formador del dientede sierra C13 para evitar que cambie la amplitud conla temperatura.

El regulador negativo de 12V 79L12 tiene unadisposición de patas totalmente diferente a la de suhermano, el 78L12. La conexión de tierra no está enel centro sino en uno de los extremos.



Figura 18 - Lay-aut del modulador PWM. Figura 19 - Infografía de la placa del modulador PWM


El potenciómetro de volumen no tiene lugar so-bre la plaqueta porque, como es obvio, debe ir insta-lado sobre el frente. Use un potenciómetro logarítmi-co de 1kΩ o de 10kΩ con su extremo vivo conecta-do a la fuente de señal de entrada y el otro a tierra yel cursor conectado a CN22. En la figura 18 podemosver un lay-out visto del lado de materiales y en la fi-gura 19 la vista en el mundo real.

PRUEBA DEL MODULADOR

Para probar al modulador se requiere un disposi-tivo de entrada y otro de salida. Todo depende de loque tenga Ud. en su taller. Si tiene un generador deaudio y un osciloscopio puede realizar la prueba talcomo lo indicamos a continuación.

1) Conecte un puente entre la entrada y tierra.2) Conecte el osciloscopio so-bre el resistor R10 y tierra y so-bre la salida del 555.

3) Observe que la señal seasimilar a la de la figura 20.

Nota: son importantes tantolas amplitudes como los tiem-pos, sobre todo los tiemposcomparados de la rampa cre-ciente y la decreciente. Si exis-tiera una diferencia mayor al2% se deben reajustar los valo-res de R12.

La medición está previstapara efectuar una reparación encaso de necesidad. Si falla lasalida del 555 controle todoslos componentes relacionados.Si la salida es buena pero nohay señal sobre R10, mida lastensiones continuas sobre eltransistor Q11 que deben ser de6V en la base, 5,4V en el emi-sor y 12V en el colector. Si lastensiones continuas están bien,mida los componentes relacio-nados al transistor. Si en la ba-se tiene una señal rectangularalta, C13 está abierto.

4) Conecte el osciloscopiosobre la salida (pata 1 delLM393) debe observar un osci-lograma como el de la figura 21.

Nota: Observe que elLM393 tiene dificultades parallegar a la tensión de saturaciónde -16V. Eso no tiene mayorimportancia porque la salida essuficiente para modular perfec-


77ARMADO Y PRUEBAS

Figura 20 - Comprobación del funcionamiento del generador de portadora.

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

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


tamente a la siguiente etapaque es el excitador a transisto-res.

5) Ahora vamos a compro-bar las características de mo-dulación a CC. Coloque comoseñal de entrada un potenció-metro y dos resistores conecta-dos a los +12V y -12V como seindica en la figura 22. Reduzcala tensión de entrada hasta queel pulso se haga muy corto, demodo que un poco más de ten-sión lo corte completamente.Mida la tensión de entrada (ennuestro caso -263mV). A continuación se modificala señal de entrada para medir el período de actividadmáximo. Aumente la tensión de entrada hasta que elpulso se haga tan ancho que un poco más de tensiónlo corta. En nuestro caso +286mV. Ver la figura 23.

Cuanto más cercanas son las tensiones en valorabsoluto, más lineal es el sistema. Las pruebas reali-zadas en la realidad dieron un resultado mejor que lasimulación, ya que las tensiones fueron prácticamen-te iguales. En caso de necesidad se puede dejar elagregado del preset y los resistores fijos para realizarun ajuste perfecto de los limites de modulación lle-vando R4 a 10kΩ e ingresando a la misma pata 3 delLM393 con el audio mediante un resistor de 1kΩ.

6) Ahora sólo queda la prueba dinámica realizadacon un generador de audio con una señal de 1kHz200 mV de pico. Se observará que la portadora mo-dulada varía su tiempo de actividad prácticamente demínimo a máximo. En la figura 24 dejamos coloca-dos el sistema con el preset que se ajusta del siguien-te modo. Lleve el generador a 350mV de pico. Elmodulador se saturará haciendo que se produzcancortes de la señal de salida. Sin el sistema de ajustelos cortes pueden ser algo diferentes. Con el sistemade ajuste se los puede ajustar para que tengan el mis-mo ancho. Realmente el autor considera que el siste-ma de ajuste es una sofisticación innecesaria.

PRUEBA SIN OSCILOSCOPIO

Si Ud. no tiene osciloscopio deberá fabricarseuna punta de prueba de valor pico a pico que puede

obtener gratuitamente de www.picerno.com y quetiene varias versiones de acuerdo a la frecuencia detrabajo. Puede llegar desde 10Hz a 10GHz. Arme laversión de audio. Como señal de audio debe usar undisco de prueba con tonos de audio que posea una se-ñal de 1kHz. Y para detectar señales moduladas enPWM deberá usar una punta especial que pasamos adescribir. Se trata de armar un amplificador con doscomparadores UPC393 o LM 393 que muevan aunos auriculares para un reproductor MP3, que sue-len tener una impedancia de carga de 35 Ohms conlas bobinas en serie. Entre los comparadores conec-tados en semipuente y los auriculares, se ubica un fil-tro PWM que transforma la señal PWM en una señalanalógica de alta fidelidad. Ver la figura 25. Observeque cuando las entradas - de U2A y + U2B superanlos 900mV la salida 1 tiene su transistor interno satu-rado y la 7 abierto, con lo cual se aplican 9V al filtroPWM. Cuando la entrada es inferior a 900mV ocurre



Figura 23 - Medi-ción de la tensiónque genera el pe-

ríodo de activi-dad máximo.

Figura 24


lo contrario con lo cual se aplican -9V es decir quecon una batería de 9V se genera una señal PWM de18 lo cual permite utilizar un resistor de filtrado de3K3 y un capacitor de 1uF. El capacitor debe ser nopolarizado o si le resulta difícil conseguirlo use doselectrolíticos polarizados de 2,2µF en serie, unidospor sus terminales positivos. La prueba se realiza delsiguiente modo:

1) Conecte un puente entre la entrada y tierra.

2) Conecte la sonda detectora de audio sobre elresistor R10 y tierra (debe indicar unos 600mV) y sino tiene indicación sobre la salida del 555 (debe te-ner una indicación de 12V).

3) Luego lleve la sonda a la salida por la pata 1del 393 y deberá indicar 22V aproximadamente indi-cando que la señal PWM sin modular se genera co-rrectamente.

4) Aplique una señal de audio cualquiera o deldisco de prueba con una amplitud de unos 200mV ala entrada y utilizando la sonda PWM escuche lamodulación de la salida.

PRUEBA FINAL

Ya se pueden conectar las dos fuentes, la plaque-ta de potencia PWM y el modulador PWM para rea-lizar una prueba. La información está completa, peroseguramente el lector debe tener alguna duda debidoa la gran cantidad de información manejada hastaaquí. Le recomendamos que relea toda la informa-ción y recién después se dedique a cablear el sistemay por último le recomendamos arrancar el sistema de

a poco. Si el modulador funciona y la potencia ya fueprobada, se puede conectar todo y escuchar por elparlante. Pero aún así le recomendamos que no utili-ce el parlante hasta no estar seguro del funciona-miento correcto. Utilice la carga resistiva que le en-señamos a hacer. Sobre la carga resistiva haga un ate-nuador por 10 (1kΩ y 100Ω) y allí puede conectar lasonda PWM que le enseñamos a construir. Ahora sí,conecte todo y pruebe y si la sonda le da un buen au-dio, conecte la sonda de tensión pico a pico y com-pruebe la tensión sobre la carga resistiva que debe serde unos 60V pico a pico. Por último, ponga la entra-da de señal en corto a tierra y verifique con el multí-metro la tensión continua sobre la carga resistiva; de-be ser menor a 500 mV. Si todo está bien puede co-nectar el parlante de un canal y luego el parlante delotro y a escuchar este misterio de los amplificadoresPWM que acabamos de develar y que realmente noera tal.

El amplificador está terminado y la informaciónentregada está completa.

EL DIAGRAMADO DE ARMADO

TOTAL DEL AMPLIFICADOR DIGITAL

En la figura 26 se puede observar el cableadocompleto de nuestro amplificador. Su prueba debeser realizada en forma ordenada. Primero debe pro-bar las fuentes positiva y negativa cargándolas conun resistor adecuado. Recuerde que habíamos elegi-do un sistema de fuentes modular basados en fuentesde 16V y que los consumos variaban entre 1,5A parala fuente más modesta hasta 6A para la más grandeque usaba dos fuentes en serie de 16V.

Para la fuente más modesta se requiere un resis-tor de carga de 16V/1,5A = 10 x 25W, por supuestode alambre. Para la fuente mas grande se requiere unresistor de carga de 32V/6A = 5Ω x 200W construi-do con cuatro resistores en paralelo de 20Ω x 25W.

Una vez probadas las fuentes se las puede conec-tar al amplificador de potencia cuya prueba fue expli-cada en la entrega correspondiente.

La plaqueta moduladora por ser de baja potenciano requiere tantos cuidados y se puede cablear direc-


79ARMADO Y PRUEBAS

Figura 25 - Punta conversora PWM a analógica


tamente. La pri-mer prueba quedebemos realizares la prueba de po-tencia con nuestraseñal de entradade 1kHz obtenidade un CD con to-nos de audio o unagrabadora deMP3. No utilicelos parlantes hastano haber realizadouna exhaustivaprueba del ampli-ficador. Ud debetener construídaslas cargas resisti-vas que le indica-mos en la entrega3 de este curso.

En realidad laprimer prueba querealiza un técnicoexperimentado esel corrimiento decontinua sobre lacarga y el sobreca-lentamiento de lostransistores. Co-necte el tester di-gital sobre la cargaresistiva y conectelas fuentes a lared. El tester debeindicar menos de 200 mV si todo está en buenas con-diciones. Nota: es conveniente desconectar la señalde entrada para esta medición.

Si la tensión esta bien, toque los transistores depotencia, tanto Bipolares como MOSFET para teneruna idea aproximada de su temperatura. Sin señal de-ben estar fríos.

Para la medición de la potencia se requiere en loposible un osciloscopio.

La razón es muy simple. Hay que inyectar 1kHzcomo señal de entrada y aumentar la señal mientras seobserva que la salida no esté recortada. En el preciso

momento en que recorta se debe detener el incrementoy 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 laúnica solución a ésta y a todas las crisis económicas.El Ingeniero Ismael Cervantes de Anda escribió enSaber Electrónica un artículo sobre instrumentos vir-tuales generados por PC. De uno de ellos ya habla-mos al comenzar el capítulo y si bien yo emplee unaversión libre que no anda muy bien, se pueden con-seguir otras versiones que hasta 30kHz andan perfec-to. Otro es un osciloscopio que vamos a probar en lapráctica para conocer su verdadero valor.



Figura 26 - Cableado final delamplificador digital.


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