Diseño y simulación de un amplificador de potencia para frecuencias medias con etapa de salida en clase AB causi-complementaria

Diseño y simulación de un amplificador de potencia para frecuencias medias con etapa de salida en clase AB causi-complementaria.

                   Cidilianys Toledo Rodriguez

                      Javier Ramírez Llano

                       David Moralez Ruiz

                      Gabriel Pérez Marmól

                 Jorge Ernesto Monterde Arencibia

Este informe detalla el diseño, análisis y funcionamiento de un amplificador clase AB cuasi-complementario con una potencia de salida de 90W y una carga de 2Ω. El diseño está optimizado para operar en la banda de 20Hz a 20kHz, con pruebas realizadas a 1kHz. Se describen los cálculos de cada circuito que lo compone y la función de cada uno de sus componentes.

I. INTRODUCCIÓN

Etapa de potencia, amplificador de potencia o etapa de ganancia son los nombres que se usan para denominar a un amplificador de sonido. La función del amplificador es aumentar el nivel de una señal incrementando para ello la amplitud de la señal de entrada mediante corrientes de polarización (voltaje negativo, voltaje positivo) en el (o los) transistor(es) de salida. Un amplificador de clase AB es un tipo de amplificador que combina las ventajas de los amplificadores clase A y clase B.  Es un equipo electrónico que magnifica las señales eléctricas de baja potencia en la banda de audio, como la señal del receptor de radio o de una guitarra eléctrica, a un nivel lo suficientemente alto como para impulsar altavoces o auriculares. Los amplificadores de potencia de audio se encuentran en todo tipo de sistemas de sonido, incluidos los de refuerzo de sonido, los sistemas de megafonía, de audio para el hogar, y en los de instrumentos musicales eléctricos. Es la etapa electrónica final en una reproducción de audio típica antes de enviar la señal a los altavoces. Todo amplificador de audio se diseña para trabajar en la gama de frecuencias que es capaz de escuchar el oído humano, o en un rango perteneciente a dicha gama. El oído humano es sensible a las ondas en el intervalo de frecuencias de 20Hz a 20kHz, llamado gama audible. En este proyecto se diseñará un amplificador económico capaz. 

II. AMPLIFICADOR A DISEÑAR

1. Problema a resolver.

Se diseñará y simulará un amplificador de frecuencias medias con salida en clase AB. A continuación, se exponen los datos y aspectos a tener en consideración:

• Tensión de la señal de entrada: 250mV RMS
• Potencia de salida: 90W RMS
• Topología de salida: causi-complementario
• Respuesta de frecuencia: 20Hz-20kHz
• La simulación se realizará con el programa Multisim versión 14
• Se justificarán todos los elementos y componentes electrónicos a utilizar

1. Descripción de las etapas del circuito.

Este amplificador clase AB de 90W a 2Ω con entrada de 250mV consta de varias etapas clave: una etapa diferencial (Q1, Q2) para rechazo de ruido y estabilidad, seguida de una fuente de corriente constante (Q3) que mejora la linealidad. La etapa de ganancia de voltaje (VAS) (Q4) amplifica la señal, mientras que el circuito de Vas y compensación térmica (D1-D4) minimiza la distorsión por cruce. Luego, la etapa driver (Q6-Q9) incrementa la corriente para excitar la etapa de salida push-pull (Q10-Q13), que entrega la potencia necesaria a la carga. Finalmente, una red de compensación (C9, L1, R24) estabiliza la respuesta y evita oscilaciones. La fuente de alimentación de ±40V proporciona la energía para un rendimiento estable y eficiente. Figura 1. Esquema eléctrico del amplificador propuesto.                                                                                  Figura 1[pic 1]

1) Fuente: 

[pic 2]

Figura 2. Amplificador alimentado con fuente simétrica.

2) Red de Zobel: 

La función de la red de Zobel es evitar oscilaciones, distorsión y sobrecalentamiento. Está formada por una resistencia y un capacitor en serie, conectados en paralelo a la carga, la resistencia se elige igual a la resistencia de carga y el condensador se elige de forma que tenga una reactancia capacitiva igual la reactancia inductiva del parlante a la frecuencia de corte superior del amplificador, de esta forma la red de Zobel compensa la inductancia de la bocina y hace que el amplificador vea una carga puramente resistiva.

[pic 3]

Figura 3. Red de Zobel

             3) Etapa amplificadora de corriente o etapa de      salida:

 Se selecciona la etapa con topología complementaria.

Etapa de Salida (Push-Pull de Potencia)

• Transistores: Q10 (MJL21194 - NPN), Q11 (MJL21193 - PNP), Q12 (TIP41C - NPN), Q13 (TIP42C - PNP).
• Componentes clave: R20, R21, R22.
• Función:

• Maneja la entrega de potencia a la carga de 2Ω.
• Opera en configuración push-pull para amplificar la señal con alta eficiencia.
• Asegura una salida de 90W con mínimas distorsiones y buena respuesta en frecuencia.

                              [pic 4]

Figura 4. Etapa de salida del amplificador a diseñar.

4) Etapa de amplificación de tensión:

Etapa de Entrada (Diferencial)

• Transistores: Q1, Q2 (2SA1015 - PNP de baja señal).
• Componentes clave: R1, R2, R3, R4, R5, R6, C1, C2.
• Función:

• Se encarga de amplificar la señal de entrada de 250mV y convertirla en una señal diferencial.
• Mejora el rechazo al ruido y la estabilidad del amplificador.
• Proporciona alta impedancia de entrada para minimizar el impacto de la fuente de señal.

5). Fuente de Corriente Constante (Vas de la Etapa Diferencial)

• Transistor: Q3 (2SA1015).
• Componentes clave: R6, R3, R4.
• Función:

• Mantiene una corriente estable en la etapa diferencial para mejorar la linealidad.
• Minimiza la variación de la ganancia debido a cambios de temperatura o alimentación.
• Asegura el balance entre los transistores diferenciales.

7). Circuito de VAS y Compensación Térmica

• Diodos: D1 (1N4742A - Zener), D2, D3, D4 (1N4007).
• Componentes clave: R9, R10.
• Función:

• Establece la polarización de la etapa de salida.
• Previene la distorsión por cruce (crossover distorsión) típica en amplificadores clase B.
• Mantiene la estabilidad térmica para evitar fugas térmicas en los transistores de salida.

                     [pic 5]

Figura 5. Etapa de amplificación de tensión.

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6). Etapa de Ganancia de Voltaje (VAS - Voltage Amplification Stage)

• Transistor: Q4 (2SA1015).
• Componentes clave: R7, R8, C3.
• Función:

• Proporciona la mayor parte de la amplificación de voltaje del circuito.
• Convierte la señal diferencial en una señal de alto voltaje para excitar la etapa de salida.
• El condensador C3 ayuda a la compensación en alta frecuencia para evitar oscilaciones.

8) Etapa Driver (Pre-Búfer)

• Transistores: Q6 (MJE3055T), Q7 (MJE3055T), Q8 (MJE15032), Q9 (MJE15033).
• Componentes clave: R15, R16, C6, C7.
• Función:

• Actúa como un intermediario entre la etapa VAS y la etapa de salida.
• Incrementa la corriente disponible para los transistores de salida sin afectar la ganancia de voltaje.
• Mejora la respuesta dinámica del amplificador.

               [pic 6]

Figura 6. Etapa de preamplificadora de tensión.

1. Selección y cálculo de componentes.

1) Fuente de alimentación:

Voltaje de alimentación requerido

Sabemos que la potencia de salida es 90W con una carga de 2Ω.
La relación de potencia y voltaje RMS de salida es:

[pic 7]

Corriente de la fuente

La corriente máxima consumida por la carga se obtiene con:

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