AMPLIFICADOR V-UR.
Construcción
INTRODUCCIÓN
| Después de hacer el filtro activo, estaba familiarizado con las PCBs de una cara, pistas cortas y el inmenso respeto a las pistas de alta impedancia. Este era mi primer diseño grande y cometía algunos errores como poner demasiadas PCBs, 11, principalmente porque se conectan entre sí con cable, y al final resulta caótico. Para cosas muy simples usé placa de prototipos, la de cuadraditos, ya que estaba en mis planes hacer un control digital con una PLD, y entendía esos circuitos de control como temporales. La cantidad de trabajo es bastante grande y cuando suena ya te das por satisfecho. |
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De momento no hay planes de rehacer esos circuitos, basados en relés, que funcionan muy correctamente y no son intrusivos como las protecciones contra cortocircuitos basadas en transistores.
Consideré importante la colocación de las piezas dentro de la caja, que el transformador no introdujese ruido en las etapas, y por tanto, que estuviese todo lo separado posible. El mejor cable es que no halla cable, de lo que se deduce que es mejor que sean cortos, y por eso las etapas están muy cerca de los conectores.
El amplificador es el de arriba. Abajo está el filtro activo.
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FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Hubo algún concepto que se coló a última hora, como la regulación del voltaje en la etapa de ganancia en voltaje.
Disponía de una fuente de alimentación, con un gran transformador viejo, de un amplificador con radio incorporada. Tenía dos secundarios, uno de 56V y otro de 20V. Decidí cambiar ligeramente la PCB para obtener 56V y 76V, para poder realizar la amplificación en voltaje cómmodamente. Aquí llegó el primer problema.
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REGULADOR
| Con los integrados de la serie 78 o con los LM317 no se podía hacer, los voltajes eran muy elevados. Probé con diodos zener, modificando el lazo de realimentación, y sí, así se puede regular el voltaje de 76V a 70V, pero no soportaban las altas tensiones que proporcionaba. Un exceso en la carga del condensador (3300uF, 100V) hacía que tarde o temprano acabase fallando. Eso si sobrevivían al encendido. En resumen, tenían una vida muy corta. |
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Decidí hacer un regulador de voltaje discreto.
Es bastante simple cuando se sabe hacer un amplificador, con algunos detalles muy importantes. El diseño no es para nada tan estricto. No se necesita que el ruido a la salida tenga baja THD, ni una alta precisión,... ni casi nada en cuanto a ese respecto.
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REFERENCIA DE TENSIÓN
| Un regulador de tensión es básicamente un amplificador de tensión con rechazo a al ruido de alimentación. Se trata de amplificar una referencia de tensión continua, y por lo tanto esa referencia debe ser completamente limpia e invariable con el tiempo y la temperatura. En el esquema completo se ve la parte de tensión de referencia dentro del recuadro y la etapa amplificadora. |
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Se puede observar cómo se ha realizado la referencia de tensión. Se trata de una red con diodos Zener, El condensador C1 y C3 entre las dos resistencias R2 Y R3 produce un efecto de filtrado paso bajo a menos de 1Hz, con lo que eliminamos gran parte del rizado. Se coloca un condensador cerámico (C3) en paralelo con el electrolítico (C1) para absorver la alta frecuencia.
Los diodos Zener son unas grandes fuentes de ruido blanco, cuando están polarizados en inversa con una baja corrriente. Cuando la corriente aumenta, el ruido disminuye. así que la decisión lógica era usar una corriente de polarización mayor que los 500 microamperios habituales. Se usaron 5mA.
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El coeficiente térmico de los diodos zener varía en función de su voltaje nominal. Para tensiones menores de 5V es negativo y para mayores, positivo. Alrededor de ese voltaje es aproximadamente cero, lo que quiere decir que no habrá variaciones causadas por la temperatura. Se usaron 3 de 4.7V en vez de uno de 15. |
La referencia de voltaje se completa con un transistor (Q1) que hace que la corriente por los zener sea más constante. Es cierto que plantea algún problema de deriva térmica, pero no es importante, y sus efectos en la regulación son muy positivos.
De ahí la tensión pasa por un último filtro RC (R5, C3, C6) y de ahí a la etapa amplificadora.
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ETAPA AMPLIFICADORA DE DC.
Es una etapa amplificadora muy corriente, con una etapa diferencial, una etapa en clase A y una etapa de salida en colector común. Las peculiaridades son el modo cascodo, cuya única función es proteger a los transistores de los elevados voltajes. Los elevados voltajes y las corrientes mayores de 5mA hacen que sea necesaro usar resistencias de 1 o 2 W para soportar la potencia requerida, especialmente la que disipa R8.
La etapa de salida consiste en dos transistores (driver y transistor de potencia) en colector común. La etapa está preparada sólo para proporcionar corriente, no para aceptar. Si se prevee que puede darse esta situación, debe colocarse una resistencia entre la salida y tierra.
No existe protección contra cortocircuitos. Esto es una desventaja, exige tener cuidado. Sucedía que al cargar los condensadores de las etapas de ganancia en voltaje ser necesario usar resistencias entre la salida y la entrada de la etapa, porque el pico de corriente demandado le causaba problemas. Con 33Ohm fué más que suficiente. Se podría haber usado un transistor más potente que el TIP41A.
La compensación se hace a frecuencias muy bajas, debe ser de sobra estable porque tiene que atacar cargas capacitivas. el rechazo al ruido depende del factor de realimentación, como se puede observar en la gráfica de al lado. Pero para eliminar el ruido de frecuencias altas están los condensadores. El rechazo al ruido (teorico) está alrededor de 50dB, es decir, el ruido es 350 veces menor así.
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CONDENSADORES Y SOFT START.
| Como resultado de los experimentos, decidí usar una gran cantidad de condensadores, concretamente 23000uF, con bobinas en medio, a pesar de no ser un amplificador para baja frecuencia. |
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Esto requiere un circuito de encendido lento, un soft start, porque si no las demandas de corriente para cargar los condensadores son tan severas hacen parpadear las bombillas de la sala o apagarse algunos aparatos. |
Es un circuito bastante simple. Consiste en una resistencia que suaviza los picos de corriente, y un relé que la cortocircuita pasado unos pocos segundos, para permitir el funcionamiento normal. La primera versión se muestra a la derecha. El rertaso está basado en circuitos RC. No ofrezco el esquemático porque no está muy bien hecho, aparte de estar realizado en PCB de prototipos. Cualquier otro diseño funcionará igual o mejor. Un LED indica si el relé está funcionando o no. |
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La segunda versión, bastante mejor en cuanto a funcionamiento y fiabilidad se basa en lo mismo (retrasos RC), pero con alguna funcionalidad más. Ahora también se controla desde ese mismo circuito si el relé de los altavoces esta´activo o no. La conmutación la produce un comparador, el LM311, en vez de un simple transistor. Además el LM311 tiene una etapa de salida en colector abierto, lo que le permite cargar a él sólo con el relé sin necesidad de transistores adicionales. |
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Tiene una alimentación regulada con un zener propia, y con limitación en corriente, para que no se produzca la ruptura del transistor al cargar el condensador. La limitación en corriente la producen Qp2 y Rp2. En el momento que la corriente pasa de 120mA, la tensión en las patas de Rp2 (de 4.7 Ohm, no de 8.2 como indica el esquema), la tensión supera los 0.6V y el transistor Qp2 empieza a conducir. Esto hace circule más corriente por Rp1, y que baje la referencia de tensión, y así baja rápida y efectivamente la tensión de salida, 3V menor que la de referencia, que puede llegar hasta los cero voltios.
El control de los relés de salida lo hacen U2 y los demás componentes asociados. Se basa en lo mismo, pero con una constante de tiempo mayor para que ese encendido se produzca algún segundo después de que se libere el soft start y todo esté funcionando correctamente.
Además, estas referencias RC pueden mantenerse a un nivel alto después de apagar el amplificador, mientras que los condensadores de la fuente se descargan, baja la tensión de alimentación, se despolarizan las etapas y se producen los típicos pops de cuando se apaga y se enciende.
Un sensor de encendido (el rectificado DAC1, RAC1, CAC1, y el optoacoplador 4N25) sensa si hay alimentación de 220V, y sólo permite que la salida al altavoz esté activa cuando halla alimentación de 220V.
Se podría utilizar uno de los polos del interruptor de encendido para hacer ésto mismo, sería más barato y eficiente, pero no evitaría situaciones como un fallo en el suministro (llamado comunmente apagón) o que se funda el fusible de la entrada.
Con la entrada strobe de los LM311 se puede anular la salida (se apaga), símplemente absorviendo corriente por esa pata. Esto servirá en un futuro para conectarlo a un limitador de corriente de salida. Pasivo, por supuesto.
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ETAPA DE POTENCIA.
Tenía que trabajar con tensión no simétrica y acoplo capacitivo, ya que la potencia que podía suministrar el transformador no permitía utilizar un puente H.
Estos fueron los mayores condicionantes del diseño.
Es muy importante que todos los transistores que forman parejas (par diferencial, par cascodo, espejo de corriente) estén muy bien emparejados para asegurar un funcionamiento más ideal. |
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Aqui a la izquierda se muestra el diseño completo de la etapa de potencia en formato PDF.
Se pueden observar las dos etapas diferenciales, la red de polarización y la etapa de salida. Las características más notables vienen a continuación |
- Etapas polarizadas con fuente de intensidad: Q5 y R6 en la primera y R7,Q7,Q8 para la segunda. Q7 está para equilibrar cualquier deriva térmica de Q8, ya que una pequeña variación de tensión puede hacer variar mucho la corriente de polarización.
- Modo cascodo (Q3,Q4). Da mayor velocidad, linealidad, evita el efcto Miller y protege a los trnasistores de ganancia del alto voltaje de alimentación. Los 70V perforarían los BC546 fácilmente.
- En la segunad etapa, el modo cascodo se aplica sólo en la rama que tiene variaciones de voltaje. La otra, conectada a un voltaje fijo no lo nencesita. En lugar de un trnasistor ponems una resistencia (R18) para que parte de la tensión caiga en ella y no en el trnasistor, lo que contribuye a un mejor funcionamiento.
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- En la segunda etapa, en la rama que sí tiene grandes variaciones de voltaje se usan dos transistores para la función que debería desempeñar uno sólo de más potencia. La razón es que así los resultados son mejores. Hay menos capacidad parásita, más linealidad, más beta... pero claro, hay que repartir el trabajo entre dos porque si no la potencia es excesiva, y hay que tener en cuenta la ruptura secundaria (secondary breakdown) , que ocurre en los BJTs cuando la tensión Vce es muy alta. Las resistencias R19, R20,R22,R23 contribuyen a que la corriente se comparta correctamente entre los dos trnasistores. Los BJT tienen coeficiente térmico positvo y no pueden ponerse en paralelo sin más, porque acabaría trabajando sólo uno.
- Q13, Q14 y Q15 son un espejo de corriente que forma una carga activa para la segunda etapa diferencial. Las resistencias R21, R22 y R 23 tienen como función ayudar a compensar las derivas térmicas y las desigualdades en los trnasistores.
- R25 es la resistencia de degeneración de carga.
- Cmiller es el condensador de compensación. Ésta se hace a 6500Hz, lo que reduce TIM y permite una baja distorsión a alta frecuencia, ya que a esa frecuencia todavía se realimentan 50dB de los 80dB de ganancia en lazo abierto..Su valor final es de 22pF, no 47 como indica el esquema.
- Qter y POT1 son la etapa de conpensación térmica, un multiplicador de Vbe. Con POT1 se regula la corriente de polarización de la etapa de salida, que está fijada en 250mA..
- CCfb está incluido en el esquemático, pero no en el montaje final. Su función es compensar la respuesta para que no oscile.No fue necesario.
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Hay ciertas partes que no van en la misma PCB. Los transistores de salida (izquierda) van en la cápsula TO-3, y van montados directamente sobre el disipador. Las resitencias de emisor de la etapa de salida y el condensador de acoplo también (derecha) van en otra placa separada, para evitar que el calor que generan interaccione con los demás elementos de la PCB.
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El condensador es un low ESR con otro de poliéster de 2u2 en paralelo. La capacidad (1000uF) es escasa para rango completo, pEro este no es el fin de este amplificaodr. Si se quiere adptar para proporcionar más voltaje, este es el primer punto a corregir. No están incluidos en el lazo de realimentación.
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OTRAS CARACTERÍSTICAS.
CONECTORES
Los conectores son una parte decisiva en el sonido, por eso cuantos menos halla mejor. En el diseño interno no halla ninguno, todas las conexiones entre PCBs va soldadas. Esto es un engorro para modificar, quitar, poner... por lo que decidí poner el conector soldado, pero sobre una lámina de fibra de vidrio que se monta con tornillos.
Decidí usar hembras RCA de gran calidad niqueladas. Les he hecho pruebas y resisten más de 3A, por lo que se deduce que el contacto y la cantidad de material conductor es muy buena. La única diferencia sonora con el oro está causada por el óxido. Si se tiene mantenimiento no tiene porqué haber grandes diferencias. A pesar de esto, no es un tema trivial, el material afecta y un contacto oxidado produce una gran degradación en el sonido. |
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Para los altavoces, empleé la misma técnica y los mismos principios. El cable en las fotos sale sin conector, sale estañado y pillado directametne en la borna. Actualmente está con un conector de oreja. Aunque el conector sea bañado en oro, no se debe dejar el cable de cobre pillado alegremente en una borna, debe tener un conector, ya sea Y, banana u oreja. El cobre se oxida con una facilidad asombrosa y resulta inútil tener el mejor conector bañado en oro si el cobre está al aire atrapado con el tornillo. |
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CABLES
Utilizé cable de instalación fija interior de 2.5mm^2 y de 1.5mm^2 en pares trenzados para la alimentación de potencia o no, y señal de potencia. Para el de señal, cable coaxial OFC con aislante de teflón bastante grueso, y malla con recubrimiento óptico del 100%.
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DISIPADORES
Los disipadores son piezas extraordinariamente caras para ser un perfil de aluminio pintado de negro. Para los valores de disipación necesarios para este ampilficador, que disipa 14W por canal en reposo, y puede llegar a disipar 45W como máximo, tenemos que para que el disipador esté a 50ºC, 25º sobre la temperatura de la habitación, pensando que esté a 25º, esto quiere decir que el disipador debe tener una resistencia térmica de 0,5555ºC/W.
Y ahora nos encontramos otro problema: En las tiendas no venden disipadores por resistencia térmica, sino por área, con lo cual hay que hacer cuentas, y en eso influye el material, la pintura, si está anodizado... Lo mejor es el cobre anodizadio negro, pero es caro en extremo. Lo peor es el aluminio sin nada, que curiosamente es qlo que llevan muchos equipos de menos de 600 euros. El aluminio parece que no se oxida, pero en realidad se oxida espontáneamente y a una velocidad muy alta. Esto unido a que el óxido es muy estable y muy buen aislante muestra que el aluminio es un conductor térmico muy bueno, pero si no tiene algún tipo de tratamiento, es como si tuviese una cáscara que le impide radiar el calor al aire.
Así que con aluminio anodizado, del que usan en las carpinterías metálicas se pueden hacer disipadores eficientes.
En este caso, disponía de muchas láminas de persiana como las de oficina, y decidí hacerlo así.
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CAJA
La caja debe tener una buena ventilación, si no es como si no se pusiesen disipadores. Usé aluminio con agujeros. Es bastane caro.
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Utilizé un armazón hecho con las barras de las estanterías metálicas. Es difícil encontrar algo más barato. Sin embargo tiene varios problemas. No puedes hacer nada con precisión, y se come mucho espacio, sobre todo a la hora de meter las cosas en la caja. No cabe nada a la primera, hay que hacer un tetris para poder meterlo todo. |
Para el exterior, aluminio anodizado de 2mm de grosor. El diseño del frontal decidí hacerlo muy sobrio, sólo dos asas, porque pesa bastante... y un LED azul, con intensidad regulable. Las asas son tiradores para cajones, en Zamac. También hay en acero.
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