piezas y materiales
- cuatro baterías de 6 voltios
- amplificador operacional Dual, modelo TL082 recomendado (Radio Shack catalog # 276-1715)
- un transistor de potencia NPN en un paquete TO-220—(Radio Shack catalog # 276-2020 o equivalente)
- un transistor de potencia PNP en-220 paquete—(Radio Shack Catalog # 276-2027 o equivalente)
- un diodo de conmutación 1n914 (Radio Shack catalog # 276-1620)
- Un condensador, 47 µF electrolítico, 35 wvdc (Radio Shack catalog # 272-1015 o equivalente)
- dos condensadores, 0.,22 µF, no polarizado (Radio Shack catalog # 272-1070)
- un potenciómetro de 10 kΩ, conicidad lineal (Radio Shack catalog # 271-1715)
asegúrese de usar un op-amp que tenga una alta velocidad de giro. Evite el LM741 o LM1458 por esta razón.
cuanto más se acerquen los dos transistores, mejor. Si es posible, trate de obtener transistores TIP41 y TIP42, que son transistores de potencia NPN y PNP con clasificaciones de disipación de 65 vatios cada uno. Si no puede obtener un transistor TIP41 NPN, el TIP3055 (disponible en Radio Shack) es un buen sustituto. No usar muy grande (p. ej., TO-3 caso) transistores de potencia, ya que el op-amp puede tener problemas para conducir suficiente corriente a sus bases para un buen funcionamiento.,>Para ilustrar cómo construir un amplificador Clase B «push-pull» utilizando transistores bipolares complementarios
diagrama esquemático
ilustración
instrucciones
Este proyecto es un amplificador de audio adecuado para amplificar la señal de salida de una pequeña Radio, Reproductor de cinta, 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 que este amplificador amplifique, simplemente conéctelo a la salida de una radio u otro dispositivo de audio como este:
Este circuito amplificador también funciona bien en la amplificación de señales de audio de «nivel de línea» de componentes estéreo modulares de alta calidad., Proporciona una sorprendente cantidad 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 con él un poco 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 salida y entrada se conoce como distorsión., En un amplificador de audio, la distorsión puede causar que los tonos desagradables se superpongan al sonido verdadero. Hay muchas configuraciones diferentes de circuitos de amplificador de audio, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Este circuito en particular se llama» Clase B», circuito push-pull.
La mayoría de los amplificadores de «potencia» de audio 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 para la otra mitad del ciclo (tira)., En este esquema, ninguno de los transistores permanece «encendido» durante todo el ciclo, dando a cada uno un tiempo para «descansar» y enfriarse durante el ciclo de forma de onda. Esto lo convierte en un circuito amplificador de potencia eficiente, pero conduce a un tipo distinto de no linealidad conocida como «distorsión de cruce».,tono de audio de volumen constante:
en un circuito amplificador push-pull, los dos transistores se turnan para amplificar los medios ciclos alternativos de la forma de onda de esta manera:
Si el «hand-off» entre los dos transistores no es precisamente sincronizado, sin embargo, la forma de onda de salida del amplificador puede verse algo como esto 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 los semiciclos positivos y negativos, se llama distorsión de cruce., Un método común para mitigar la distorsión de crossover es sesgar los transistores para que sus puntos de encendido/apagado realmente se superpongan, de modo que ambos transistores estén en un estado de conducción durante un breve momento durante el período de cruce:
esta forma de amplificación se conoce técnicamente como clase AB en lugar de Clase B porque cada transistor está «encendido» durante más del 50% Ciclo de forma de onda., La desventaja de hacer esto, sin embargo, es un mayor consumo de energía del circuito del amplificador, porque durante los momentos de tiempo en los que ambos transistores están conduciendo, hay corriente conducida a través de los transistores que no están pasando por la carga, sino que simplemente se está «cortocircuitando» de un riel de alimentación a 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 (caída de voltaje hacia adelante Vbe, β, resistencias de unión, etc.,), dificultando el sesgo adecuado.
en este experimento, los transistores operan en Modo Clase B pura. Es decir, nunca están dirigiendo al mismo tiempo. Esto ahorra energía y disminuye la disipación de calor, pero se presta a la distorsión de cruce. La solución tomada en este circuito es utilizar un op-amp con retroalimentación negativa para conducir rápidamente los transistores a través de la zona» muerta «produciendo distorsión de cruce y reducir la cantidad de» aplanamiento » de la forma de onda durante el cruce.
el primer amplificador operativo (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 condensador/resistencia de entrada, que se ha colocado en el circuito para filtrar cualquier voltaje de polarización de CC de la señal de entrada, evitando que cualquier voltaje de CC se amplifique por el circuito y se envíe al altavoz donde podría causar daños.
sin el op-amp de búfer, el circuito de filtrado de condensador/resistencia reduce la respuesta de baja frecuencia («graves») del amplificador y acentúa la alta frecuencia («agudos»).
el segundo op-amp funciona como un amplificador inversor cuya ganancia es 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 op-amp invertidos tienen sus resistencias de retroalimentación conectadas directamente desde el terminal de salida de OP-amp al terminal de entrada invertida de la siguiente manera:
si usáramos la señal de salida resultante para conducir los terminales de base del par de transistores push-pull, sin embargo, experimentaríamos una distorsión de cruce significativa, porque habría una zona «muerta» en el funcionamiento de los transistores a medida que el voltaje de 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 de crossover es que cuando la señal de salida op-amp está entre + 0.7 voltios y-0.,7 voltios, ninguno de los transistores estará conduciendo, y el voltaje de salida al altavoz será de 0 voltios para todo el intervalo de 1,4 voltios de oscilación de voltaje base. Por lo tanto, hay una «zona» en el rango de señal de entrada donde no se producirá ningún cambio en el voltaje de salida del altavoz. Aquí es donde las técnicas de sesgo intrincadas se introducen generalmente al circuito para reducir este «hueco» 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 a las caídas de voltaje VBE combinadas de los dos transistores, lo que resulta en un escenario donde cada transistor está a punto de encenderse cuando la señal de entrada es de cero voltios, eliminando la zona de señal «muerta» de 1.4 voltios que existía antes.
desafortunadamente, sin embargo, esta solución no es perfecta: a medida que los transistores se calientan de la potencia conductora a la carga, sus caídas de voltaje hacia adelante VBE 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 hacia adelante.
Por lo tanto, los diodos continuarán proporcionando el mismo voltaje de polarización de 1.4 voltios a pesar de que los transistores requieren menos voltaje de polarización debido al calentamiento. El resultado será que el circuito se desplaza en clase AB, donde ambos transistores estarán en un estado de conducción parte del tiempo., Esto, por supuesto, dará lugar a una mayor disipación de calor a través de los transistores, exacerbando el problema del cambio de caída de voltaje hacia adelante.
una solución común a este problema es la inserción de resistencias de «retroalimentación» de compensación de temperatura en las patas emisoras del circuito del transistor push-pull:
Esta solución no evita el encendido simultáneo de los dos transistores, sino que simplemente reduce la gravedad del problema y evita el escape térmico., También tiene el desafortunado efecto de insertar resistencia en la ruta de corriente de carga, limitando la corriente de salida del amplificador. La solución por la que opté en este experimento es una que capitaliza el principio de retroalimentación negativa op-amp para superar las limitaciones inherentes del circuito de salida de transistor push-pull. Uso un diodo para proporcionar un voltaje de polarización de 0.7 voltios para el par push-pull., Esto no es suficiente para eliminar la zona de señal «muerta», 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, lo que impide el funcionamiento de clase AB., A continuación, para ayudar a deshacerse de la distorsión de crossover restante, la señal de retroalimentación del op-amp se toma del terminal de salida del amplificador (los terminales emisores de los transistores) de la siguiente manera:
la función del op-amp es emitir cualquier señal de voltaje que tenga que para mantener sus dos terminales de entrada en el mismo voltaje (diferencial de 0 voltios)., Al conectar el cable de retroalimentación a los terminales emisores de los transistores push-pull, el op-amp tiene la capacidad de detectar cualquier zona «muerta» donde ninguno de los transistores está conduciendo, y emitir una señal de voltaje adecuada 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 op-amp con una alta velocidad de giro (la capacidad de producir un voltaje de salida de rápido aumento o caída rápida), por lo que se especificó el OP-amp TL082 para este circuito., Los amplificadores operativos más lentos, como el LM741 o el LM1458, pueden no ser capaces de mantenerse al día con la alta dv/dt (tasa de cambio de voltaje a lo largo del tiempo, también conocida como de/dt) necesaria para una operación de baja distorsión.
solo un par de condensadores se agregan a este circuito para llevarlo a su forma final: un condensador de 47 µF conectado en paralelo con el diodo ayuda a mantener constante la tensión de polarización de 0.7 voltios a pesar de las grandes oscilaciones de voltaje en la salida del amplificador operativo, mientras que un condensador de 0.22 µF conectado entre la base y el emisor del transistor NPN ayuda a reducir la distorsión de cruce en ajustes de bajo volumen: