Una de las ventajas de la disponibilidad de transistores Darlington de alta potencia es que podemos elaborar amplificadores de audio con circuitos relativamente simples, de bajo costo y con potencias de salida bastante elevadas. Los circuitos propuestos en este artículo son un ejemplo de lo que puede hacerse, tomando como base el par de transistores complementarios Darlington TIP142 y TIP147.
Los circuitos son relativamente simples, y sus salidas tienen el mismo orden de potencia que los mayores amplificadores existentes actualmente en el mercado.
Una de las principales ventajas encontradas en el diseño de amplificadores de audio donde se utilizan transistores Darlington de potencia en la salida es la necesidad de pasos de pequeña potencia en la excitación.
La elevada ganancia de estos transistores elimina la necesidad de transistores intermedios, que, para los amplificadores de potencias muy altas, pueden significar un gasto considerable, dada la propia potencia que ellos necesitan tener; esto sin hablar de los problemas de diseño de la placa de circuito impreso.
Hoy podemos contar con transistores Darlington de potencias muy altas ya un costo muy accesible como el par formado por los tipos TlP142 y TlP147 (NPN y PNP, respectivamente).
Estos transistores, para 100 V y 10 A con disipación de 125 W, permiten la realización de buenos proyectos, como lo que describimos.
Una posibilidad interesante para los lectores que necesitan altas potencias de audio es utilizar estos circuitos en módulos. Así, dos módulos forman un sistema estéreo de 500 W.
Para la sonorización de grandes ambientes, se pueden utilizar diversos módulos, cada uno con una potencia PMPO de 250 W.
El circuito básico se da en dos versiones, de potencias diferentes, que depende justamente de donde se utilizará el amplificador.
La fuente de alimentación es simétrica, eliminando así la necesidad del operacional electrolítico de alto valor para acoplamiento al altavoz.
Recordamos que en este tipo de proyecto debe haber especial cuidado con las conexiones de potencia y la propia instalación del sistema, en lo que se refiere a la parte térmica.
Los lectores que deseen montar con seguridad el aparato deben tener buena experiencia con este tipo de circuito.
Características
Potencia de salida: versión 1: 180 W (PMPO) por canal (versión 2: 250 W (PMPO) por canal
Corriente consumida a plena potencia: 180 W (1, 58 A), 250 W (2,5 A)
Corriente de reposo: 17 a 25 mA
Resistencia de carga: 4 W
Impedancia de entrada: 39 k ohms
Distorsión con 80% de la potencia máxima: menor que 0,5%
Respuesta de frecuencia (-1 dB): 20 Hz a 60 kHz
COMO FUNCIONA
Los transistores Darlington en realidad son circuitos integrados que reúnen en un único componente dos transistores y dos resistores, en la configuración indicada en la figura 1.
El resultado es un circuito que se comporta como un solo transistor, cuya ganancia es el producto de las ganancias de los transistores usados ??por separado, y que en el caso es de al menos 1000.
Esto significa que, en realidad, tenemos un "super-transistor" que puede controlar elevadísimas corrientes de colector a partir de tenues (1 000 veces menores) corrientes de base.
Los tipos TlP142 (NPN) y TlP147 (PNP) son transistores de potencia donde la corriente de colector puede llegar a 10 A. lo que significa la posibilidad de ser utilizados en amplificadores de buena potencia.
La configuración empleada es la tradicionalmente utilizada en la mayoría de los circuitos transistorizados con la salida complementaria, con dos transistores, un NPN y otro PNP, conduciendo alternativamente, conforme muestra la figura 2.
En esta configuración tenemos una fuente de alimentación simétrica, que proporciona una tensión positiva y una tensión negativa en relación a la referencia (tierra) donde está conectada la carga (altavoz).
En cuanto a la elevada carga de los operacionales electrolíticos de la fuente de alimentación, estos funcionan como depósitos de energía para atender las solicitudes de los transistores en la obtención de corrientes elevadas, y así se pueden obtener elevadas potencias instantáneas de audio (PMPO), como se ha caracterizado en este proyecto.
Así, en los semiciclos positivos de la señal de audio, conduce el transistor NPN, de modo que la corriente fluye del + Vcc. a la tierra, pasando por el altavoz.
En los semiciclos negativos, conduce el transistor PNP, de modo que la conducción ocurre de la tierra al - Vc.c., también pasando por el altavoz.
Ver que la potencia final (dos semiciclos) es dada por la suma de las corrientes de las dos ramas de la fuente.
Es muy importante en este tipo de circuito que las salidas sean equilibradas de modo que, en una señal, un semiciclo no sea diferente del otro, pues eso significar una distorsión.
El ajuste del punto de funcionamiento de esta etapa es importante, tanto en vista de la necesidad de mantener la simetría de la señal, como también de un factor denominado "deriva térmica".
Cuando los transistores de salida se calientan, con la operación a plena carga hay una tendencia de este calentamiento a cambiar sus características, aumentando la corriente de fuga del colector del primer elemento del par, como muestra la figura 3.
En el sitio tenemos un interesante artículo explicando lo que es la deriva térmica.
Esta corriente es amplificada por el propio transistor, y luego por el segundo del par, y el resultado es un aumento sustancial de la corriente de reposo capaz de aumentar aún más el calentamiento del componente.
Y así, más fuga más corriente, más corriente más calor, más calor más fuga, en un proceso acumulativo que, saliendo del control, lleva el componente a la destrucción.
Una manera de fijar la polarización correcta de los transistores de salida, y evitar el problema de deriva térmica es con la utilización de un transistor que estará en contacto térmico con el radiador de calor de los transistores de salida.
Este transistor "siente" las variaciones de temperatura del transistor de salida y reduce proporcionalmente la tensión entre las bases de los Darlingtons, para reducir así la corriente de reposo.
El ajuste del punto de funcionamiento de este transistor, hecho por medio de un trimpot, es muy importante para garantizar la estabilidad del circuito.
La excitación de los Darlingtons es hecha por un transistor PNP de media potencia y alta tensión.
El BC640 es ideal para esta aplicación, pero equivalentes de 80 V y 1 A pueden ser usados.
Finalmente, tenemos la etapa de preamplificación, que consiste en un par diferencial con transistores BC547B o equivalentes.
La configuración de par diferencial es especialmente atractiva en los proyectos en los que se desea una excitación de alta potencia con pocos elementos y la garantía de la simetría de la señal, lo que es importante en nuestro circuito.
El trimpot en los emisores del par diferencial tiene por función ajustar la simetría de funcionamiento. El mejor ajuste debe ser hecho con la inyección de una señal y observación por medio de un osciloscopio.
MONTAJE
En la figura 4 tenemos el diagrama del amplificador básico.
Para las dos versiones, de potencias diferentes, cambia sólo el valor de la resistencia R3, (36 k ohmios a 180 W y 47 k ohmios a 250 W) y la tensión de alimentación, que se dará en función de la fuente.
La disposición de los componentes principales en una placa de circuito impreso se muestra en la figura 5.
Observe que los transistores Darlingtons de potencia deben montarse en excelentes disipadores de calor. Estos disipadores deben quedar aislados del colector del transistor, que corresponde a su aleta, por medio de una hoja de mica o de plástico apropiado para este propósito.
Junto a uno de los transistores de salida se monta el transistor regulador Q4.
Los cables de conexión a los transistores de salida, así como al positivo de la alimentación, negativo y tierra, además del altavoz, deben ser gruesos, dada la corriente intensa.
Las disipaciones de los resistores se indican en la lista de material, con especial atención a R12 y R13, que deben ser de hilo.
Las tensiones de los operacionales electrolíticos también se indican en la lista de materiales.
En la figura 6 damos la disposición de los terminales de los transistores para facilitar su montaje.
Los diodos D, y D2 tanto pueden ser 1N4148 como de otro tipo, siendo una buena práctica que se sitúen muy cerca de R7, de modo que el calor del resistor retroalimente en el sentido de estabilizar el transistor conductor.
Para la entrada de señal se debe utilizar el cable blindado debidamente conectado a tierra.
El circuito no incluye un preamplificador pero cualquiera que tenga una salida de al menos 500 mV debe excitar satisfactoriamente la salida a la máxima potencia.
En la figura 7 tenemos el diagrama de la fuente de alimentación, observándose que la tensión de secundario del transformador depende de la potencia.
La corriente dependerá de la versión. Para 180 + 18o W (PMPO) tenemos 4 A de secundaria, y para la versión de 250 + 25O W (PMPO) tenemos 5 A.
Las tensiones de trabajo de los electrolíticos se indican en el diagrama, y ??los diodos admite equivalentes.
El fusible de protección es importante en el diseño para mayor seguridad. El conjunto puede ser utilizado en módulo o montado en cajas metálicas que servir de blindaje.
El control de volumen y balance se conjugará con el preamplificador.
Prueba y uso
Para probar el aparato, primero conecte el amplificador a una fuente, sin carga (sin altavoz). Mida las tensiones de la fuente y verifique la corriente de reposo ajustándola en P2. Para la versión de menor potencia puede estar entre 10 y 18 mA, y para la versión mayor, entre 15 y 25 mA.
Compruebe el funcionamiento normal de la fuente en estas condiciones, conecte una carga e inyecte en la entrada una señal para verificar el funcionamiento.
Si tiene un osciloscopio, conéctelo en la unión de R12 con R13 y, utilizando una carga resistiva, ajuste P1 para la simetría de la señal.
Comprobado el funcionamiento es sólo utilizar el aparato.
En la figura 8 tenemos una sugerencia de preamplificador que se puede utilizar con este aparato.
Todas las conexiones entre componentes y entradas deben ser blindadas para no ocurrir la captación de zumbidos.
