AMPLIFICADOR
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El circuito empleado es casi el mismo que en el S-SUB, pero con alguna modificación resultante de la etapa de salida empleada. También se modifican algunos elementos de ganancia y compensación en frecuencia. A la derecha se puede observar el nuevo circuito. |
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Aunque a priori resulte sencillo, una etapa de salida con dos transistores "gordos" y unas resistencias, en la práctica no lo es tanto, de hecho tuve que hacer una PCB aparte porque además incorporé una limitación en corriente.
Lo primero es que la impedancia de salida de la etapa de ganancia en voltaje es muy alta, y la capacidad de entrada de los mosfet también. En realidad no es mayor que la de los BJT de potencia (1500-3000pF), pero si hay una característica diferente: como no es necesario un transistor driver, la EGV lidia diréctamente con esa capacidad. Tenemos que esa capacidad en colaboración con la alta impedancia de salida de la EGV forman un polo (comportamiento de filtro paso bajo) que crea un desfase de 90º. Si a eso le añadimos el desfase resultante de la compensación en frecuencia, otros 90º tenemos 180º que invierten la fase a la salida. En ese momento la realimentación negativa deja de ser "negativa" y pasa a ser positiva, por lo que el amplificador se vuelve inestable y tiende hacia los raíles de alimentación, y en condiciones adecuadas oscila (es lo más normal).
Esto se evita degenerando el polo, añadiendo unas resistencias en serie con las puertas de los transistores MOS de salida. A frecuencias de audio ésta técnica no tiene ningún efecto pernicioso en el dinamismo. Por otra parte, el coeficiénte térmico de los mosfet es en principio negativo, por utilizar portadores de carga que no se generan térmicamente (es uno de los motivos de que no sufran de ruptura secundaria). Por lo que tengo entendido a día de hoy, hay diferencias entre el coeficiénte térmico del voltaje de estrangulamiento y la transconductancia. La transconductancia disminuye con la temperatura, por lo que ese motivo permite colocarlos en paralelo e idealmente permite que la etapa prescinda de compensación térmica. |
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En los últimos tiempos, prácticamente la única aplicación que usa transistores MOSFET en zona lineal es el audio y la radiofrecuencia, donde aún sobreviven sin rival muchas válvulas de vacío. En el resto de aplicaciones con requisitos lineales se ha sustituido esta operación por el PWM, más eficiente, lineal y claramente superior para frecuencias bajas (<1kHz) y aplicaciones que no requieran una gran precisión (0,1% min), como control de motores, servos...
La necesidad de optimizarlos para conmutación y una baja resistencia del canal ha traído nuevas formas de fabricarlos: V-MOS, Trench-FET, T-MOS, HEX-FET..., y el resultado es que el voltaje de estrangulamiento disminuye con el aumento de temperatura, a diferencia de los FETs clásicos de Hitachi, que no requerían ningún tipo de compensación térmica. La compensación térmica requerida es finalmente ajustada por un multiplicador de VBE, pero degenerado con un diodo que no está en contacto con el radiador. |
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Los modelos utilizados son HEXFETs de International Rectifier, los famosos IRFxxxx. En un principio, en mi versión empleé los IRF640 e IRF9640, dos modelos de 150W en TO-220, que para dar 25W de salida van más que sobrados, pero los hay más adecuados como los IRFP240 e IRFP9240, también de 150W, pero en cápsula TO-3P. La diferencia entre estos dos modelos es que los TO-3P soportan más potencia de manera continuada porque la resistencia térmica ente el silicio y el radiador es notablemente menor. Pasa de 1.5 a 1,07, un 30% menor. Esto implica que cuando el radiador de 0.5ºC/W esté a 50ºC en el TO-3P, el silicio del transistor estará a 103ºC, mientras que en el TO-220 estará a 125ºC. El límite son 150ºC, y cuanto más frío esté el transistor más lineal será. |
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Por eso, es posible funcionar con los IRF540 e IRF9540, IRF640 e IRF9640, pero yo sólo puedo recomendar los IRFP240 e IRFP9240 con potencias de igual o más de 80W.
Por último, el montaje es mucho más sencillo ya que los transistores se montan en la placa y se acoplan al radiador, en vez de montarlos en el radiador y emplear cables para unirlos a la placa.
| Potencia: |
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Ancho de banda |
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| Z entrada |
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Ganancia |
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| SNR |
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D.F. |
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| THD |
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IMD (SMPTE) |
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| Slew-rate |
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IMD (CCIF) |
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La variación en el sonido respecto al original con BJTs es el resultado típico de éste cambio, documentado por Nelson Pass en su modificación del Citation 12 y por muchos otros diseñadores. Mejora la transparencia del extremo agudo y los medios, en detrimento de los graves profundos, pero éstos son más controlados.... síntomas por otra parte de otros fenómenos consecuencia de la interacción entre la etapa de salida y la etapa de ganancia en voltaje. La impedancia de entrada es más alta por lo que se aumenta el facto de realimentación. También es más lineal, aunque ésto estaba ya corregido en el primer S-SUB con un condensador de bypass al multiplicador de VBE y la degeneración de la carga activa.
Por eso el cambio no fué tan radical como cabía esperar o como en ocasiones anteriores en unos experimentos sobre un V-AG con mosfet, pero sí fue notable, y el resultado es que aunque el anterior no fuese un amplificador exclusivo (pero si recomendado) para graves... en éste no hay ninguna banda que destaque sobre el resto, por eso también se puede emplear perfectamente como amplificador de rango completo con resultados superiores a los de menos de 900€ y 120W por canal.
De hecho sigo con él para las evaluaciones por su neutralidad, a pesar de haber podido sustituirlo en varias ocasiones.
Se ofrecen las máscaras de PCB para la construcción de un S-SUB mosfet para uso personal sin fines comerciales. Descargar
La lista de componentes se puede obtener aqui. Descargar en XLS. Descargar en TXT.
Es posible obtener el kit o el módulo ya montado, ajustado y comprobado (recomendado). Para ello, enviar un email a consultas.
No intente montarlo si no tiene conocimientos sobre cómo protejerse de los peligros de la electricidad. pcpaudio.com no se responsabiliza de los accidentes que su uso pueda causar.
Es necesario utilizar un soft start, para evitar los picos de corriente demandados para cargar los condensadores al encender. Si no, es posible ver parpadear las bombillas de la habitación, ocasionalmente saltan el limitador. Un speaker enable no es necesario ya que prácticamente no hace ruidos ni al arrancar ni al apagarse.
Primero soldaremos todos los componentes en su lugar correspondiente. Se empieza por lo más pequeño y se termina por lo más grande. El orden es: zeners, resitencias, potenciómetros, condensadores MKT y cerámicos, electrolíticos pequeños, transistores TO-92, electrolíticos grandes, los transistores de salida: primero el BD139 en TO-126 y luego los Mosfet elegidos, y finalmente las resistencias bobinadas.
Como única características especial, una de las resistencias de fuente de los FETs de salida se monta por debajo de la PCB.
Conviene soldar un Zener de 12V entre las patas G y S de los MOSFET, así se pueden manipular sin riesgo ya que sirven de cierta protección contra pulsos electromagnéticos y descargas electrostáticas que pueden romper la capa de sílice (SiO2) de la puerta.
La etapa tiene exactamente 8 cables que van al "exterior". Tres de ellos son los de alimentación regulada, otros dos son la alimentación de potencia, dos son la señal de entrada y otro de ellos es la salida de audio de potencia. En el esquema de la derecha se puede ver el conexionado. |
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El transistor de compensación térmica debe ir montado diréctamente sobre el disipador, por lo que también debe estar aislado de él mediante una almohadilla térmica o un aislante de mica y grasa térmica. Lógicamente hay que comprobar si hay contacto entre la pata drenador / colector (que está conectada al tab metálico del transistor) y el disipador. POLARIZACIÓN |
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Colocamos el potenciómetro grande en el mínimo (posición de la flecha azul), para que la etapa de salida esté en clase B. Colocamos el potenciómetro pequeño en la posición indicada por la flecha azul. |
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Una vez que esta todo comprobado, que las soldaduras están bien, que no hay hilillos de cobre sueltos en la PCB, volvemos a comprobarlo todo. Cuando estemos seguros, hacemos lo siguiente:
Encendemos. Si todo va bien, en pocos segundos la salida debe estabilizarse y marcar un valor muy próximo a 0.1V. Ahora debemos ajustar el offset de salida. Para ello movemos el potenciómetro pequeño en la dirección de las agujas del reloj, en la dirección de la flecha roja, suavemente, y veremos cómo se puede alcanzar un valor muy próximo a cero. Éste valor debe ser menor de 20mV, y preferiblemente positivo.
OPCIONAL Esto quiere decir que parece que funciona. Ahora hay que probar con una onda senoidal (si no se dispone de un osciloscopio no pasa nada, con el polímetro se puede medir). Conectamos la entrada al RCA y con un generador de ondas o el ordenador le introducimos una señal senoidal de 0,15V y 400Hz. A la salida del amplificador colocamos el polímetro en modo VAC. Debe dar una medida de varios voltios, y debe ponerse a cero en el momento que se interrumpe la señal.
Si todo es correcto, polarizaremos la etapa. Para esto, primero protegemos la salida de un posible cortocircuito, con cinta aislante o algo así. Colocamos el polímetro en modo VDC alrededor de las resistencia de 50 Ohm. Encendemos, y veremos que al principio se produce una gran demanda. Esto es para cargar los condensadores de la etapa. Luego se estabilizará en cero.
Ahora empezamos a mover MUY SUAVEMENTE el potenciómetro. Al principio no sucede nada porque le cuesta salir de la clase B, pero llega un momento que empiezan a subir los voltios. El punto óptimo está aldededor de media vuelta. Terminaremos cuando marque 3V. Luego hay que esperar para ver cómo se comporta térmicamente. Cuando se caliente, ese valor variará entre uno o dos voltios (deslizamiento térmico). |
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Debemos esperar 5 minutos y comprobar que el mismo se estabiliza. Pasado un rato, volveremos a aumentar la corriente de polarización mediante el potenciómetro, hasta que marque 6V. Se volverá a calentar y bajará a unos 5, por lo que es posible que se deba repetir el proceso. 5V suponen 100mA. Ésta tensión no debe pasar de 13 voltios en ningún caso. Si la tensión sube demasiado y crece de manera continuada, sin que parezca tener fin, hay que apagarlo y revisar el anclaje de los transistores al disipador, y volver a empezar.
Esto le proporciona una corriente de polarización de salida de unos 100-200mA, (más corriente ->menos distorsión y más calor) lo suficiente para obtener tasas de distorsión tan bajas como las medidas. Ahora estamos preparados para conectarlo a un altavoz de pruebas.
Para probar que suena correctamente, conectamos la entrada a un preamplificador (o al ordenador mismo) con el volumen al mínimo. Cuando esté encendido subimos el volumen poco a poco. La música debe surgir del invento. A partir de ahí, estamos listos para sustituir las resistencias bobinadas por fusibles adecuados y montarlo en el chasis definitivo
La conexión a la fuente de alimentación es como muestra el siguiente esquema: |
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El bloque "fuente de potencia" (en realidad es una fuente de voltaje, pero la llamaremos así para distinguirla) se muestra a la derecha. Se pueden poner varios condensadores en paralelo para aumentar el valor de la capacidad. |
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Se debe respetar el valor del voltaje si no se quiere ver cómo explotan. También se debe tener en cuenta que estos condensadores tienden a cargarse con el valor de pico de la onda AC, por lo que si el transformador es de 30+30V AC, debemos tener en cuenta que pueden llegar a cargarse a 42 V. Elegiremos el valor normalizado inmediatamente superior, 50V. |
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El bloque "fuente de voltaje" es como el anterior pero con dos pares de condensadores, y se añade un filtrado RC entre ellos. Es el montaje más sencillo pero se pueden usar fuentes reguladas que puedan proporcionar 100mA y cumplan los requisitos de voltaje. Eso excluye el uso de los LM78xx/LM79xx/LM317/LM337 sin más, salvo en algunos casos con las versiones HV. |
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El valor de estos últimos condesandores debe ser de 1000uF, aunque C2 y C2b pueden ser de 2200uF, la resistencia debe ser menor de 220 Ohm, 100 es lo recomendado. y preferiblemente de 2 W. (más valor Óhmico, más filtrado, pero más caída de tensiónen ella). El puente, con un de 1 Amperio y 200V suele ser suficiente.
Los diseños son sencillos, se pueden montar en PCB de prototipos, o puede ser una buena opción para una toma de contacto con el diseño de PCBs.
SE DEBE TENER CUIDADO Y COMPROBAR QUE LOS CONDENSADORES ESTÁN DESCARGADOS ANTES DE TRABAJAR CON ELLOS. NO SE DEBE TRABAJAR MIENTRAS SE ESTÁ CONECTADO A LA RED DE 220V AC: DESCONECTE SIEMPRE LA ETAPA ANTES DE OPERAR.
El esquema de conexión de tierras, entradas de señal y salida de señal se muestra a la derecha. Todas las tierras deben ir a un punto común. |
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