DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE AUDIO CLASE AB CON VÚMETRO RÍTMICO

1. 1
AMPLIFICACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES
PROYECTO FINAL
DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR DE AUDIO CLASE AB
CON VÚMETRO RÍTMICO
INGENIERO:
CARLOS OJEDA NAVA
ESTUDIANTES:
MENDOZA GARCIA DAVID
REYES REYES ALMA LAURA
TAPIA DE LA CRUZ JORGE EDUARDO

2. 2
10/JUNIO/2015-1
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN:....................................................................................................................4
OBJETIVO:..............................................................................................................................5
DESARROLLO ....................................................................................................................5
EVOLUCIÓN DE LOS AMPLIFICADORES DE POTENCIA..................................................5
AMPLIFICADOR EN CLASE AB...........................................................................................5
TRANSISTORES EN SIMETRÍA COMPLEMENTARIA ........................................................7
DISTORSIÓN DE CRUCE....................................................................................................8
POLARIZACIÓN DEL AMPLIFICADOR PUSH-PULL PARA OPERACIÓN EN CLASE AB...8
AMPLIFICADOR CLASE AB DARLINGTON.........................................................................9
DISEÑÓ DE AMPLIFICACIÓN DE POTENCIA PARA AUDIO .............................................10
1. CÁLCULO DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN. ..........................................................11
2. CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSISTORES ............................................................11
3. CARACTERÍSTICAS DE LAS RESISTENCIAS R7 Y R8. ..............................................12
4. CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSISTORES Q3 Y Q4..............................................13
5. CÁLCULO DE LA RESISTENCIA R5 y R6 ....................................................................13
AMPLIFICADOR CLASE AB DARLINGTON ........................................................................14
Capacitor en paralelo con (Re)........................................................................................15
Capacitor de acoplamiento .............................................................................................15
Capacitor de salida ..........................................................................................................15
Capacitor 𝐶2......................................................................................................................16
DISEÑO DE PREAMPLIFICADOR CLASE A .....................................................................17
SE DETERMINA EL PUNTO Q DE OPERACIÓN PARA EL CIRCUITO .............................19
ANÁLISIS EN CD ...............................................................................................................19
RECTA DE CARGA Y GRÁFICA.......................................................................................20
ANÁLISIS EN C.A ..............................................................................................................21

3. 3
GANANCIA DE VOLTAJE ..................................................................................................22
VÚMETRO CON LEDS. .........................................................................................................23
DISEÑÓ DEL CIRCUITO VÚMETRO CON LEDS. .............................................................25
PRUEBA FINAL EN EL LABORATORIO ............................................................................26
CONCLUSIONES...............................................................................................................27
BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................................28
APÉNDICE.........................................................................................................................29

4. 4
INTRODUCCIÓN:
Hasta ahora se han considerado los elementos activos (transistores) como
dispositivos lineales, debido a que en pequeña señal se producen pocas
variaciones alrededor del punto de trabajo. Esta situación no se produce en los
amplificadores de potencia ya que éstos deben proporcionar una señal de salida
grande, por lo que debe tenerse en cuenta toda la característica de transferencia.
Por eso, este tipo de amplificadores se llaman también amplificadores de gran
señal.
La etapa de salida de los amplificadores es la encargada de suministrar a la carga
señales poco distorsionadas y con estos conceptos se aplican en el diseño y
construcción de un amplificador de potencia.
La construcción de un amplificador de potencia para audio de 30W a 8 Ω de
resistencia. En él se exponen los fundamentos básicos de los amplificadores de
potencia, utilizando exclusivamente componentes básicos, tales como
resistencias, capacitores y transistores; la amplificación se realizara mediante el
llamado amplificador clase AB, cuya característica principal yace en la pequeña
corriente de polarización que se inyecta para que los transistores involucrados
estén transmitiendo a la llegada de la señal.
De igual forma se demuestran los cálculos efectuados para garantiza la estabilidad
del punto de funcionamiento, lo que significa que los transistores no entren a corte,
para ello se realiza el espejo de corriente. El tema del trabajo se refiere a la
medición real y virtual de parámetros en un circuito que incorpora elementos
pasivos como resistores y elementos activos como los transistores BJT (BD135) y
transistores Darlington (TIP31 TIP32).
Finalmente también se empleara el diseño de un Vúmetro con leds para este
proyecto estudiaremos el circuito integrado LM3914.
Un vúmetro es un dispositivo que se usa a menudo en equipos de audio, su
función es mostrar el nivel de la señal en unidades de volumen (VU).

5. 5
OBJETIVO:
 Diseñar y ensamblar un amplificador de potencia para audio de 30 Watts
teniendo en cuenta los factores que intervienen.
 Utilizar los conocimientos adquiridos durante el curso para calcular los
valores de resistores, corrientes, voltajes etc.
 Utilizar las características de los transistores en un diseño implementado
que permite controlar un vúmetro rítmico.
DESARROLLO
EVOLUCIÓNDE LOS AMPLIFICADORES DE POTENCIA
Una vez realizada la amplificación de tensión es necesario actuar sobre el medio
acústico para amplificar la onda sonora. El elemento donde se produce la
conversión de las variaciones eléctricas en variaciones de presión es el altavoz. Si
se quiere producir una gran variación acústica es necesario disponer de altavoces
con un gran cono y para mover este cono es necesario que circule una elevada
corriente. Se consigue con una etapa final. La etapa final amplifica corriente y no
tensión. La etapa de potencia es una etapa amplificadora de corriente.
AMPLIFICADOREN CLASE AB
Este tipo de amplificadores funcionan básicamente como los amplificadores en
clase B, excepto en el que se inyecta una pequeña corriente de polarización para
que ya estén conduciendo previamente a la llegada de la señal. No se diseñan en
clase A. Se diseñan casi en corte, pero sin llegar a estar en ese estado. De esta
forma se consigue eliminar la distorsión de cruce.
La principal dificultad es conseguir la estabilidad del punto de funcionamiento. (Ver
figura 1).
Se debe garantizar que los transistores no entraran en corte. La mejor solución es
recurrir al espejo de corriente.

6. 6
Figura 1. Funcionamiento en clase AB
El espejo de corriente se basa en la conexión en paralelo de dos diodos iguales. Si
son iguales y tienen la misma curva característica, por los dos diodos circula la
misma corriente puesto que los puntos de funcionamiento son idénticos. Para una
misma tensión ánodo- cátodo en los dos diodos se tiene una misma corriente en
cada uno de ellos.
Si el diodo y el transistor son de silicio se pueden considerar iguales la tensión en
extremos del diodo y la tensión entre base y emisor. (Ver figura 2).En el siguiente
esquema, la corriente que circula por el diodo es la misma que circula por la unión
base emisor.

7. 7
Figura 2. Espejo de corriente
TRANSISTORESEN SIMETRÍA COMPLEMENTARIA
Los tipos más populares de amplificadores clase B push-pull que utilizan dos
seguidores-emisores y fuentes de alimentación tanto una positiva como una
negativa. (Ver figura 5)
Este es un amplificador complementario porque un seguidor-emisor utiliza un
transistor npn y el otro un pnp, los cuales conducen en alternancias opuestas del
ciclo completo de entrada. Observe que no hay voltaje de polarización de cd en la
base (VB = 0). De este modo, sólo el voltaje de la señal hace que los transistores
conduzcan. El transistor Q1 conduce durante el semiciclo positivo de entrada y Q2
lo hace durante el semiciclo negativo.
Figura 5 Clases B push-pull

8. 8
DISTORSIÓNDE CRUCE
Cuando el voltaje de cd en la base es cero, ambos transistores se apagan y el
voltaje de la señal de entrada debe exceder VBE antes de que conduzca un
transistor. Debido a esto, existe un lapso de tiempo entre las alternancias positivas
y negativas de la entrada cuando ningún transistor está conduciendo, como
muestra la (figura 6).
La distorsión resultante en la forma de onda de salida se llama distorsión de cruce.
Figura 6 Distorsiones de cruce en un amplificador push-pull. Los transistores conducen sólo durante partes de la entrada
indicada por las áreas sombreadas.
POLARIZACIÓNDEL AMPLIFICADOR PUSH-PULL PARA
OPERACIÓNEN CLASE AB
Para superar la distorsión de cruce, la polarización se ajusta para superar apenas
el VBE de los transistores; esto produce una forma modificada de operación
llamada clase AB. En la operación clase AB, las etapas push-pull se polarizan
para una leve conducción, aun cuando no esté ninguna señal presente. Esto se
puede hacer con una configuración de divisor de voltaje y diodo, como muestra la
figura 7.
Cuando las características de D1 y D2 llegan a ser casi iguales a las
características de las uniones base-emisor, la corriente en los diodos y la corriente
en los transistores son las mismas; esto se conoce como espejo de corriente.

9. 9
Este espejo de corriente produce la operación clase AB deseada y elimina la
distorsión de cruce.
Figura 7 Polarización del amplificador push-pull con polarización mediante diodo como espejo de corriente para eliminar la
distorsión de cruce. Los transistores forman una simetría complementaria (un npn y un pnp).
AMPLIFICADOR CLASE AB DARLINGTON
Figura 8 Amplificador Darlington clase AB push-pull.

10. 10
DISEÑÓ DE AMPLIFICACIÓNDE POTENCIAPARA AUDIO
Se va a diseñar un amplificador de potencia para audio, en contrafase y
funcionando en clase AB. Se ha elegido una potencia de 30 W y una pequeña
etapa de acondicionamiento compuesta principalmente por un transistor.
La frecuencia inferior de corte se elige de 20 Hz. El esquema que se va a justificar
es el indicado en la (figura 4).
Figura 4 Diseño de Amplificador de potencia

11. 11
1. CÁLCULO DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN.
V𝑪𝑪= √2(8Ω )∗ 50W
V𝑪𝑪 =29.2 v
El anterior valor hallado para la fuente de alimentación de 29.2 V se aproxima a
30V, lo que garantiza que el sistema no se sature, y será bajo este valor sobre el
cual continuaran los siguientes pasos a excepción del cálculo requerido para hallar
la corriente que debe suministrar la fuente, como se verá a continuación.
La corriente máxima que deberá suministrar cada fuente será:
2. CARACTERÍSTICASDE LOS TRANSISTORES
Los transistores Q2 y Q3 tendrán las siguientes características:
𝑉𝑐𝑒 ≥ 30 V
𝐼𝑐 ≥ 3.5A

12. 12
Los transistores de potencia TIP31 y TIP32 de acuerdo al Data Sheet nos
garantizan estos valores (ver Ilustración 1).
Ilustración 1 Data Sheet TIP 31 TIP 32
3. CARACTERÍSTICAS DE LAS RESISTENCIASR7 Y R8.
Las resistencias R9 y R11 se eligen de 0.47 ohm. Al ser de potencia, es necesario
calcular la potencia disipada.
𝑃 𝑅9= V * I
𝑃 𝑅9= R* I2
𝑃 𝑅9= 0.47* 3.52
𝑃 𝑅9= 4 W
R9 y R1 son resistencias de 0.47Ω y con una capacidad de disipaciónde 4 W.

13. 13
4. CARACTERÍSTICASDE LOS TRANSISTORESQ3 Y Q4.
Q2 es un transistor NPN en configuración Darlington junto con Q3.
Q4 es un transistor PNP en configuración Darlington junto con Q5.
Q2 y Q3 equivalen a un transistor NPN de:
𝛽 = 𝛽2 ∗ 𝛽3
Q4 y Q5 equivalen a un transistor NPN de:
𝛽 = 𝛽4 ∗ 𝛽5
5. CÁLCULO DE LA RESISTENCIA R5 y R6
Para calcular R5 se necesita saber la corriente y la diferencia de potencial en los
extremos. En reposo, la tensión en RL es 0 v.
Despreciando la caída de tensión en la resistencia de 0.47Ω, la tensión en la base
de Q4 es de 1.4v
El valor máximo de la corriente por la base es:
Ib=
𝐼𝑐
𝛽1∗ 𝛽2
=
3
20∗200
= 0.7 mA
Garantizando la corriente que deberá circular si colocáramos un el transistor Q2
adicional a la que circulará por los diodos, la corriente que se tomará es de
aproximadamente 5 veces mayor a la hallada con anterioridad:
Ib1≅ 5 * Ib
Ib1= 3.5mA
R5=
𝑉𝑐𝑐−2(𝑉𝑏𝑒)
𝐼𝑏1
=
30−2(1.4)
3.5 𝑚𝐴
= 7.77 k
R5 = R6 Por simetría

14. 14
AMPLIFICADORCLASE AB DARLINGTON
En muchas aplicaciones donde se utiliza la configuración push-pull, la resistencia
de carga es relativamente pequeña. Por ejemplo, una altavoz de 8 Ω es una carga
común para un amplificador clase AB push-pull. (Ver figura 5)
Como se vio en el ejemplo previo, los amplificadores push-pull pueden presentar
una resistencia de entrada bastante baja al amplificador precedente que lo excita.
Figura 5 Amplificador Darlington clase AB push-pull

15. 15
Rent(total)1=R1//R2//βca(r´e)
β=220
r’e=
25𝑚𝑣
40𝑚𝑎
=0.625
Rent(Total)=12kΩ//4.70kΩ//220(0.625Ω)
Rent(Total)=120.5Ω
Capacitor en paralelo con (Re)
Xc=
𝑅𝑒
10
=
220
10
=22Ω
CE=
1
2𝜋𝑓𝑋𝑐
=
1
2𝜋(20𝐻𝑧)(22Ω)
CE=361.7µF ≈ VALOR COMERCIAL≈ CE=470𝛍F
Capacitor de acoplamiento
𝑥 𝑐1=𝑅 𝑐//𝑅8//𝑅7//Rent
𝑋 𝐶1=470//10kΩ//10kΩ//137.5Ω
𝑋 𝐶1=104Ω
C=
1
2𝜋𝑓 𝑥 𝑐
=
1
2𝜋(20𝐻𝑧)(104Ω)
C=76𝛍F≈VALOR COMERCIAL≈ C=100𝛍F
Nota: Rent=𝛽 𝐶𝑎r’e=220(0.625)=137.5Ω
Capacitor de salida
𝑋 𝑆=O.47Ω//0.47Ω//8Ω//29.25Ω
𝑋 𝑆=228.3mΩ
CS=
1
2𝜋𝑓 𝑋𝑆
=
1
2𝜋(20𝐻𝑍)(228.3𝑚Ω)
=34𝛍F ≈ VALOR COMERCIAL

16. 16
Capacitor 𝐶2
𝑋 𝐶=𝑅8//𝑅7//Rent
Rent=β(r’e+𝑅 𝐿 )
Rent=642
(1+8)
Rent=36.8KΩ
R=10KΩ//10KΩ//36.8KΩ
R=4.4KΩ
𝑋 𝐶=0.1(R)
𝑋 𝐶=0.1(4.4KΩ)
𝑋 𝐶=440
𝐶2=
1
2𝜋𝑓 𝑋 𝐶
=
1
2𝜋(20)(440)
𝐶2=18𝛍F≈ 𝐶2=𝐶3=22𝛍F

17. 17
DISEÑO DE PREAMPLIFICADOR CLASE A
Condiciones de diseño acuerdo a su datasheet BD135 obtenemos nuestra Ic.
Para obtener su máxima ganancia.
Ic =40 mA
Vce=11 V
Vcc=30V
Ilustración 2 Data Sheet de; transistor BD135

18. 18
 Utilizaremos un amplificador clase A con divisor de voltaje.
Calculo de RE y RC Se elige una corriente de colector de 40 mA, un punto de
funcionamiento en clase A y una tensión de emisor de 8 V. A partir de estos datos
se diseñan las resistencias:
RE =
Ve
Ic
=
8 𝑣
40 𝑚𝐴
= 200 Ω comercial ≈ 220 Ω
Rc =
VCC−VceQ
1.1 Ic
=
30v − 11v
1.1 (40mA)
= 437.81 Ω comercial ≈ 470 Ω
RB = Rth = 0.1 ( 𝛽 + 1 ) 𝑅𝐸 = 0.1 (200+1) (220 Ω) = 4642 Ω
R1 =
Vcc
Vth
Rth =
30 𝑣
8.7 𝑣
(4642 Ω) = 14.87 Ω comercial ≈ 16k Ω
Vth= 0.7 + (40 mA) (200) = 8.7 v
R2 =
Rth∗R1
R1−Rth
=
(4642) (14.87k)
14.87k−46.42
= 4.65k Ω comercial ≈ 5𝑘 Ω

19. 19
SE DETERMINA EL PUNTO Q DE OPERACIÓNPARA EL CIRCUITO
ANÁLISIS EN CD
Figura 6 Se representa las direcciones de las corrientes.
 La resistencia de cd de entrada en la base se determina de la siguiente
manera:
Rent (Base) = 𝛽CDRE = (200) (220 Ω)= 44K Ω
IR1 ≅ IR2 =
30
5K+16K
=1.4 mA
VB = (1.4 mA) (5k Ω)= 7.14 v
VE = 7.14 – 0.7 = 6.4 v
IE =
6.4 v
220 Ω
= 29.27mA
IE≅ 𝐼𝑐 = 29.27 mA
 Malla de Salida
Vcc – Ic (Rc) – Vce –IE (RE)
30 - 470(29.27mA) – Vce – 29.27mA (220 Ω)
Vce = 9.8v

20. 20
RECTA DE CARGA Y GRÁFICA
Figura. 7 Variaciones de la corriente en el colector y del voltaje en el colector con respecto al emisor, a
consecuencia de una variación de la corriente en la base.
Ic =
1
𝑅𝑐 𝑅𝐸
(Vce) +
𝑉𝑐𝑐
𝑅𝑐+𝑅𝐸
Vce = 0
Ic =
𝑉𝑐𝑐
𝑅𝑐+𝑅𝐸
=
30
470 + 220
= 43.47 mA
Cuando Ic = 0 Vce = Vcc = 30v
IB =
Ic
β
=
29.27 mA
200
= 146.35 𝜇 𝐴

21. 21
ANÁLISIS EN C.A
Para analizar la operación de un amplificador con señal de c.a, se desarrolla un
circuito equivalente en c.a de la siguiente manera:
1. Los capacitores C1, C2 y C3 son reemplazados por cortos efectivos porque sus
valores se seleccionan de modo que XC sea despreciable a la frecuencia de la
señal y se pueda considerar que es de 0 Ω.
2. La fuente de cd es reemplazada por tierra.
Circuito equivalente en c.a del amplificador de la figura 6
Determine la resistencia de ca en el emisor.
r ´e = ≅
25𝑚𝐴
𝐼𝐸
=
25𝑚𝐴
29.27
= 0.854 Ω
Rent (total) = R1 II R2 II Rent (Base) =
1
1
16 k
+
1
5 k
+
1
470
= 418.38 Ω
El voltaje de la fuente se divide entre Rs y Rent(tot), de modo que el voltaje de
señal en la base es el voltaje a través de Rent(tot).
Vb =
Rent (tot)
Rs+Rent(tot)
Vs =
418.38
32+418.38
500mA= 464.47mV

22. 22
Como se puede ver, existe una atenuación (reducción) significativa del voltaje de
la fuente debido a la resistencia de ésta y a la resistencia de entrada del
amplificador que se combinan para actuar como divisor de voltaje.
GANANCIA DE VOLTAJE
La ganancia es el cociente de un voltaje de salida de ca en el colector (Vc) entre el
voltaje de entrada de ca en la base (Vb). (ver figura 8)
Figura 8 Circuito modelo para obtener ganancia de voltaje en ca.
Av=
Rc
r´e
=
470
0.854
= 550.35

23. 23
VÚMETRO CON LEDS.
Para este proyecto estudiaremos el circuito integrado LM3914 (Ver figura 9).
Un vúmetro es un dispositivo que se usa a menudo en equipos de audio, su
función es mostrar el nivel de la señal en unidades de volumen (VU).
Este vúmetro está construido a base del circuito integrado LM3914 que no es más
que un conjunto de amplificadores operacionales configurados como
comparadores en cascada.

24. 24
Figura 9 Circuito integrado LM3914
Se conecta en paralelo a los bornes de un parlante, o entrada de un amplificador.
Dada a la alta impedancia de este integrado de 10MΩ en relación al rango entre
4Ω a 8Ω que soportan los equipos de audio, la conexión de este circuito no
produce ningún efecto de sobrecarga por lo que puede ser conectado sin temor
alguno.
Este circuito integrado ofrece 2 modos para mostrar el vúmetro, el modo barra que

25. 25
es cuando los leds se van encendiendo uno a continuación del anterior o el modo
punto que se enciende un solo led y se va desplazando según la señal.
El LM3914 soporta un rango de tensión de 3V a 35V, pero para esta aplicación
usaremos un regulador de voltaje LM7805 para tener una tensión de 5V.
¿Por qué?
Supongamos que lo alimentamos con 12V, el LM3914 debe disipar una potencia
de (12V led)*0.018 aproximadamente 0.2W por cada led encendido, si está en
modo barra, al tener todos los led encendidos serian casi 2W para disipar, más
que suficiente para que el LM3914 hierva de temperatura. Por eso se pretende
usar un voltaje seguro para el integrado.
DISEÑÓ DEL CIRCUITO VÚMETROCON LEDS.
El circuito consta de 3 etapas (ver figura 10):
 La primera es la de alimentación, tiene un regulador fijo a 5V con 2
capacitores que son de estabilización.
 La segunda etapa es un filtrado de la señal de audio que ingresa, previa a
la entrada al LM3914, se puede colocar la entrada de audio directamente al
potenciómetro, pero se le coloca por la siguiente razón; estos circuitos
integrados son demasiado rápidos para responder al audio, se probó en
primera instancia sin un filtrado de la señal, lo que sucedió al ingresar el
audio en modo barra algunos leds de los niveles superiores encendían muy
poco cuando deberían estar completamente apagados, y el modo punto
directamente no se apreciaba, entonces se filtra la señal de audio para
obtener un efecto visual más preciso y estético en ambos modo.
 La etapa 3 que es en donde está el integrado LM3914, con su resistencia
de 470 ohm que determina el brillo de los leds, el potenciómetro de 10k que
regula el rango de trabajo del vúmetro en función del nivel de la señal de
audio y el interruptor deslizable para cambiar de modo, de manera que si
está conectado el pin 9 del LM3914 a los 5V está en modo barra y si se
desconecta, en modo punto (ojo el pin 9 al aire, no a gnd).

26. 26
Figura 10 “Diseñó del circuito vúmetro con leds”
PRUEBA FINAL EN EL LABORATORIO
Se conecta un generador de señales a la entrada para excitar la primera etapa.
Condiciones son 50mVp con una frecuencia de 20 Hz.

27. 27
Foto 1 Diseño de un amplificador de audio clase ab con vúmetro rítmico ya terminado.
Foto 2 Se observa en el osciloscopio la señal de entrada de color amarillo y en azul la señal de salida ya
amplificada.
CONCLUSIONES

28. 28
En el presente proyecto se seleccionó y analizó un amplificador de potencia clase
AB. Para esto se requirió de una extensa revisión bibliográfica, de la que se
Obtuvo los conocimientos necesarios para realizar un estudio a fondo del
amplificador, esto para entender el comportamiento general del circuito, para
hacer que su implementación fuera más sencilla. Más detalladamente, se analizó
cada una de las 2 etapas que componen un amplificador de audio.
Se comparó el comportamiento obtenido experimentalmente, con el
comportamiento descrito en la teoría y en las simulaciones realizadas. Midiendo
parámetros importantes de cada etapa, especialmente la corriente y el voltaje al
que son polarizados cada transistor. Los cuales están muy apegados a los valores
teóricos.
BIBLIOGRAFÍA
BOYLESTAD, ROBERT L. y NASHELSKY, LOUIS. Electrónica: Teoría de
Circuitos y Dispositivos Electrónicos. EARSON EDUCACIÓN, México, 2009.ISBN:
978-607-442-292-4 Área: Ingeniería. pp[161-190].
FLOYD, THOMAS L.Dispositivos electrónicos Octava edición. PEARSON
EDUCACIÓN, México, 2008. ISBN: 978-970-26-1193-6 Área: Ingeniería.pp[216-
251]
SAVANT JR, Diseño electrónico y sistemas. Tercera edición, Pearson educación,
México ,2000.

29. 29
APÉNDICE