Amplificador de audio de clase B

PIEZAS Y MATERIALES

• Cuatro baterías de 6 voltios
• Amplificador operacional dual, modelo TL082 recomendado (catálogo de Radio Shack # 276-1715)
• Un transistor de potencia NPN en un paquete TO-220 (catálogo de Radio Shack n. ° 276-2020 o equivalente)
• Un transistor de potencia PNP en un paquete TO-220— (catálogo de Radio Shack # 276-2027 o equivalente)
• Un diodo de conmutación 1N914 (catálogo de Radio Shack n. ° 276-1620)
• Un capacitor, 47 µF electrolítico, 35 WVDC (catálogo de Radio Shack # 272-1015 o equivalente)
• Dos capacitores, 0.22 µF, no polarizados (catálogo de Radio Shack # 272-1070)
• Un potenciómetro de 10 kΩ, cono lineal (catálogo de Radio Shack n. ° 271-1715)

Asegúrate de usar un amplificador operacional que tenga una tasa de respuesta alta. . Evite el LM741 o LM1458 por este motivo.

Cuanto más emparejados estén los dos transistores, mejor. Si es posible, intente obtener transistores TIP41 y TIP42, que son transistores de potencia NPN y PNP muy parecidos con clasificaciones de disipación de 65 vatios cada uno. Si no puede conseguir un transistor TIP41 NPN, el TIP3055 (disponible en Radio Shack) es un buen sustituto. No use transistores de potencia muy grandes (es decir, caja TO-3), ya que el amplificador operacional puede tener problemas para conducir suficiente corriente a sus bases para un buen funcionamiento.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 3, capítulo 4:“Transistores de unión bipolar”

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 3, capítulo 8:"Amplificadores operacionales"

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Para ilustrar cómo construir un amplificador de clase B "push-pull" utilizando transistores bipolares complementarios
• Para ilustrar los efectos de la "distorsión cruzada" en un circuito amplificador push-pull
• Para ilustrar cómo usar la retroalimentación negativa a través de un amplificador operacional para corregir las no linealidades del circuito.

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

Este proyecto es un amplificador de audio adecuado para amplificar la señal de salida de una pequeña radio, reproductor de cintas, reproductor de CD o cualquier otra fuente de señales de audio. Para el funcionamiento estéreo, se deben construir dos amplificadores idénticos, uno para el canal izquierdo y otro para el canal derecho. Para obtener una señal de entrada para amplificar este amplificador, simplemente conéctelo a la salida de una radio u otro dispositivo de audio como este:

Este circuito amplificador también funciona bien para amplificar " nivel de línea ”Señales de audio de componentes estéreo modulares de alta calidad. Proporciona una cantidad sorprendente de potencia de sonido cuando se reproduce a través de un altavoz grande, y tal vez funcione sin disipadores de calor en los transistores (aunque debe experimentar un poco con él antes de decidir renunciar a los disipadores de calor, ya que la disipación de potencia varía según el tipo de altavoz utilizado).

El objetivo de cualquier circuito amplificador es reproducir la forma de onda de entrada con la mayor precisión posible. La reproducción perfecta es imposible, por supuesto, y cualquier diferencia entre las formas de onda de entrada y salida se conoce como distorsión . En un amplificador de audio, la distorsión puede hacer que los tonos desagradables se superpongan al sonido real. Hay muchas configuraciones diferentes de circuitos de amplificadores de audio, cada una con sus propias ventajas y desventajas. Este circuito en particular se llama "clase B", push-pull circuito.

La mayor parte del audio " potencia ”Los amplificadores utilizan una configuración de clase B, donde un transistor proporciona energía a la carga durante la mitad del ciclo de forma de onda ( empuja ) y un segundo transistor proporciona energía a la carga durante la otra mitad del ciclo ( tira ). En este esquema, ninguno de los transistores permanece " encendido "Durante todo el ciclo, dándole a cada uno un tiempo para" descansar ”Y enfriar durante el ciclo de forma de onda. Esto lo convierte en un circuito amplificador de bajo consumo, pero conduce a un tipo distinto de no linealidad conocido como " distorsión de cruce . ”

Aquí se muestra una forma de onda sinusoidal, equivalente a un tono de audio constante de volumen constante:

En un circuito amplificador push-pull, los dos transistores se turnan para amplificar los semiciclos alternos de la forma de onda de esta manera:

Si la " transferencia "Entre los dos transistores no está sincronizado con precisión, sin embargo, la forma de onda de salida del amplificador puede verse así en lugar de una onda sinusoidal pura:

Aquí, la distorsión resulta del hecho de que hay un retraso entre el momento en que un transistor se apaga y el otro transistor se enciende. Este tipo de distorsión, donde la forma de onda " se aplana ”En el punto de cruce entre semiciclos positivos y negativos, se denomina distorsión de cruce . Un método común para mitigar la distorsión de cruce es sesgar los transistores para que sus puntos de encendido / apagado se superpongan, de modo que ambos los transistores están en un estado de conducción por un breve momento durante el período de cruce:

Esta forma de amplificación se conoce técnicamente como clase AB en lugar de la clase B porque cada transistor está " encendido ”Durante más del 50% del tiempo durante un ciclo completo de formas de onda. Sin embargo, la desventaja de hacer esto es un mayor consumo de energía del circuito amplificador, porque durante los momentos en los que ambos transistores están conduciendo, hay corriente conducida a través de los transistores que no pasando por la carga, pero simplemente está siendo "cortocircuitado" de un riel de suministro de energía al otro (de -V a + V).

No solo es un desperdicio de energía, sino que disipa más energía térmica en los transistores. Cuando los transistores aumentan de temperatura, sus características cambian (V _be caída de voltaje directo, β, resistencias de unión, etc.), lo que dificulta la polarización adecuada.

En este experimento, los transistores operan en modo clase B pura. Es decir, nunca dirigen al mismo tiempo. Esto ahorra energía y disminuye la disipación de calor, pero se presta a la distorsión cruzada. La solución tomada en este circuito es usar un amplificador operacional con retroalimentación negativa para impulsar rápidamente los transistores a través de los " muertos ”Que produce distorsión de cruce y reduce la cantidad de“ aplanamiento ”De la forma de onda durante el cruce.

El primer amplificador operacional (más a la izquierda) que se muestra en el diagrama esquemático no es más que un búfer. Un búfer ayuda a reducir la carga de la red de condensadores / resistencias de entrada, que se ha colocado en el circuito para filtrar cualquier voltaje de polarización de CC de la señal de entrada, evitando que el circuito amplifique cualquier voltaje de CC y se envíe al altavoz donde pueda causar daños.

Sin el amplificador operacional de búfer, el circuito de filtrado de condensadores / resistencias reduce las frecuencias bajas (" graves ") Respuesta del amplificador y acentúa la alta frecuencia (" agudos ”).

El segundo amplificador operacional funciona como un amplificador inversor cuya ganancia está controlada por el potenciómetro de 10 kΩ. Esto no hace más que proporcionar un control de volumen para el amplificador. Por lo general, los circuitos de amplificador operacional inversor tienen sus resistencias de retroalimentación conectadas directamente desde el terminal de salida del amplificador operacional al terminal de entrada inversora de esta manera:

Sin embargo, si usáramos la señal de salida resultante para impulsar los terminales base del par de transistores push-pull, experimentaríamos una distorsión de cruce significativa, porque habría un " muerto ”En la operación de los transistores cuando el voltaje base pasó de + 0,7 voltios a - 0,7 voltios:

Si ya ha construido el circuito amplificador en su forma final, puede simplificarlo a esta forma y escuchar la diferencia en la calidad del sonido. Si aún no ha comenzado la construcción del circuito, el diagrama esquemático que se muestra arriba sería un buen punto de partida. Amplificará una señal de audio, ¡pero sonará horrible!

La razón de la distorsión cruzada es que cuando la señal de salida del amplificador operacional está entre + 0,7 voltios y - 0,7 voltios, ninguno de los transistores será conductor y el voltaje de salida al altavoz será de 0 voltios para todo el intervalo de 1,4 voltios de la base. oscilación de voltaje. Por lo tanto, hay una " zona ”En el rango de la señal de entrada donde no se producirá ningún cambio en el voltaje de salida del altavoz. Aquí es donde se suelen introducir intrincadas técnicas de polarización en el circuito para reducir esta " brecha de 1,4 voltios". ”En la respuesta de la señal de entrada del transistor. Por lo general, se hace algo como esto:

Los dos diodos conectados en serie caerán aproximadamente 1,4 voltios, equivalente al V _be combinado caídas de voltaje directo de los dos transistores, lo que da como resultado un escenario en el que cada transistor está a punto de encenderse cuando la señal de entrada es de cero voltios, eliminando los 1,4 voltios “ muertos ”Zona de señalización que existía antes.

Sin embargo, desafortunadamente, esta solución no es perfecta:a medida que los transistores se calientan desde la conducción de energía a la carga, su V _be las caídas de voltaje directo disminuirán de 0,7 voltios a algo menos, como 0,6 voltios o 0,5 voltios. Los diodos, que no están sujetos al mismo efecto de calentamiento porque no conducen ninguna corriente sustancial, no experimentarán el mismo cambio en la caída de voltaje directo.

Por lo tanto, los diodos continuarán proporcionando el mismo voltaje de polarización de 1,4 voltios aunque los transistores requieran menos voltaje de polarización debido al calentamiento. El resultado será que el circuito pasa a la operación de clase AB, donde ambos los transistores estarán en un estado de conducción parte del tiempo. Esto, por supuesto, dará como resultado una mayor disipación de calor a través de los transistores, lo que agravará el problema del cambio de caída de voltaje directo.

Una solución común a este problema es la inserción de compensación de temperatura " retroalimentación ”Resistencias en las patas del emisor del circuito de transistores push-pull:

Esta solución no evita el encendido simultáneo de los dos transistores, sino que simplemente reduce la gravedad del problema y evita la fuga térmica. También tiene el desafortunado efecto de insertar resistencia en la ruta de la corriente de carga, lo que limita la corriente de salida del amplificador. La solución por la que opté en este experimento es una que aprovecha el principio de retroalimentación negativa del amplificador operacional para superar las limitaciones inherentes del circuito de salida del transistor push-pull. Utilizo un diodo para proporcionar un voltaje de polarización de 0,7 voltios para el par push-pull. Esto no es suficiente para eliminar a los " muertos ”Zona de señal, pero la reduce al menos en un 50%:

Dado que la caída de voltaje de un solo diodo siempre será menor que las caídas de voltaje combinadas de las uniones base-emisor de los dos transistores, los transistores nunca pueden encenderse simultáneamente, evitando así la operación de clase AB. A continuación, para ayudar a deshacerse de la distorsión de cruce restante, la señal de retroalimentación del amplificador operacional se toma del terminal de salida del amplificador (los terminales del emisor de los transistores) de la siguiente manera:

La función del amplificador operacional es emitir cualquier señal de voltaje que tenga para mantener sus dos terminales de entrada al mismo voltaje (diferencial de 0 voltios). Al conectar el cable de retroalimentación a los terminales emisores de los transistores push-pull, el amplificador operacional tiene la capacidad de detectar cualquier " muerto ”Zona donde ninguno de los transistores está conduciendo, y envía una señal de voltaje apropiada a las bases de los transistores para conducirlos rápidamente a la conducción nuevamente para“ mantenerse al día ”Con la forma de onda de la señal de entrada.

Esto requiere un amplificador operacional con una velocidad de respuesta alta. (la capacidad de producir un voltaje de salida de rápido aumento o caída), por lo que el TL082 op-amp se especificó para este circuito. Amplificadores operacionales más lentos como el LM741 o LM1458 es posible que no pueda mantenerse al día con el alto dv / dt (tasa de cambio de voltaje a lo largo del tiempo, también conocida como de / dt ) necesarios para el funcionamiento con baja distorsión.

Solo se agregan un par de capacitores a este circuito para llevarlo a su forma final:un capacitor de 47 µF conectado en paralelo con el diodo ayuda a mantener constante el voltaje de polarización de 0.7 voltios a pesar de los grandes cambios de voltaje en la salida del amplificador operacional, mientras que un El condensador de 0,22 µF conectado entre la base y el emisor del transistor NPN ayuda a reducir la distorsión de cruce en configuraciones de volumen bajo:

HOJA DE TRABAJO RELACIONADA:

• Hoja de trabajo de amplificadores BJT de clase B