Diseñado para su uso en los automóviles Amplificador de audio de potencia en un CI proporciona más 50 W a partir de una batería de 12V

Transcripción

1 Diseñado para su uso en los automóviles Amplificador de audio de potencia en un CI proporciona más 50 W a partir de una batería de 12V El amplificador de salida integrado descrito en este artículo consta de un circuito integrado y poco más. Ha sido diseñado específicamente para su uso en los vehículos con motor y otras aplicaciones que funcionen con baterías. Aunque parece bastante sencillo y poco atractivo, puede producir una potencia de salida de audio apreciable.

2 2 INTRODUCCIÓN Podemos encontrar amplificadores de todos los tipos. Este ha sido pensado para uso doméstico o de estudio. Los amplificadores de este tipo normalmente están alimentados por una tensión de alimentación comprendida entre 60 y 150 V, la cual, además, puede estar dividida en dos tensiones balanceadas. Esto hace que estos amplificadores no puedan ser utilizados en vehículos a motor. Los amplificadores que pueden funcionar con tensiones de alimentación de 12 V son unidades bastante diferentes, diseñadas para trabajar con estas bajas tensiones de alimentación. Además, si a estos amplificadores se les pide que proporcionen una potencia relativamente alta, su diseño deja de ser una cosa sencilla. Un simple cálculo nos muestra que un amplificador convencional que trabaje con 12 V de tensión de alimentación (o un máximo de 14,4 V cuando la batería está totalmente cargada), no puede proporcionar una potencia de salida mucho mayor de 6 W. Si utilizamos una configuración tipo puente podernos elevar esta potencia hasta llegar a los 20 W pero éste es el máximo posible que se puede obtener. Hoy día, la mayoría de los conductores y, más en particular, los más jóvenes, buscan una potencia considerablemente superior a los 6 ó 20 W. El sonido alto es su dios, pero, por desgracia, olvidan que es un dios implacable, ya que les puede llevar a una sordera temprana. Por lo tanto, la forma más lógica de incrementar la potencia de salida es aumentar la tensión de alimentación de 12 V a un nivel mucho más alto por medio de un conversor. Sin embargo, un conversor de este tipo no es exactamente barato y, además, suele ser una fuente notoria de ruido y de interferencias, por lo tanto, para poder aumentar la potencia de los circuitos electrónicos en un vehículo a motor moderno, este último punto no debe dejarse de lado. Afortunadamente para los "hambrientos" de sonido, existe una alternativa al conversor. Hace algunos años Phillips introdujo un circuito integrado especial, amplificador de salida, el TDA-1560Q, que es capaz de proporcionar una potencia de 30 W sobre una resistencia de 8Ω a partir de una tensión de alimentación de 12 V (sin el uso de un conversor). Esta potencia de salida se obtiene haciendo funcionar el amplificador en Clase H (ver Fig. 4 para mayor información). Los diseñadores de Phillips lo han mejorado, introduciendo en él un cierto número de propiedades, entre las que se encuentra la potencia de salida. De acuerdo con las hojas de características de Phillips, el dispositivo mejorado, el TDA-1562Q, puede entregar una potencia de 70 W sobre una carga de 4Ω, aunque esto lo hace a costa de un empeoramiento de la distorsión, la cual, a un valor de 10 % es demasiado elevada, incluso para un coche. El prototipo del diseño descrito en este artículo proporciona una potencia de 55 W sobre una carga de 4Ω y con una distorsión del 1 %. Como el número de componentes externos necesarios para este equipo es más pequeño que en el caso del antiguo amplificador, la placa de circuito impreso es muy compacta. EL TDA 1562Q En la Fig. 1 se muestra el diagrama de bloques de este componente. Hay que poner una atención particular en aquellos recuadros realzados, los cuales son necesarios en un sistema Clase H (ver Fig.4). El circuito integrado evalúa la señal de entrada y estima el control correspondiente que debe realizar sobre los transistores de salida. Cuando estos transistores tienden a colocarse en saturación, la tensión de alimentación se aumenta brevemente conmutando los condensadores conectados a los terminales 3 y 5, 13 y 15, en serie con la tensión de alimentación. Además del amplificador de entrada y del amplificador de salida Clase H, el circuito integrado contiene diversos circuitos de protección. Uno de ellos protege al componente contra corrientes excesivas de salida y contra cortocircuitos.

3 3 El circuito de protección de temperatura trabaja en dos fases. Cuando se excede el primer umbral de temperatura, el componente cambia su modo de trabajo de Clase H a Clase B, por lo que no hay motivo para incrementar la tensión de alimentación. Cuando se excede el segundo umbral de temperatura, se reduce el control de corriente de los transistores de salida. También existe un circuito de protección contra sobretensiones y uno más contra cargas de impedancias demasiado bajas. Cuando la carga de la impedancia cae por debajo de un valor crítico predeterminado, el modo de operación se conmuta de Clase H a Clase B. Una carga con una impedancia inferior a 0,5Ω es considerada como un cortocircuito, lo cual produce que el componente se desconecte en su totalidad. DESCRIPCIÓN DEL CIRCUITO El esquema eléctrico de la Fig. 2 realza los pocos componentes externos que son necesarios para montar el amplificador de salida. Los condensadores C5 y C6 son necesarios para el funcionamiento en Clase H, sobre los que se habla con más extensión en el apartado correspondiente. El valor de los condensadores de entrada Cl y C2 es relativamente bajo gracias a la alta impedancia de entrada del circuito integrado. La red RC R4-C4 de conmutación, colocada en el terminal "mode select" (terminal 4, "selección de modo"), sirve para conmutar el circuito integrado a sus modos de funcionamiento "mute" o "reposo". Cuando se conecta la tensión de alimentación, el circuito integrado se conmuta automáticamente y en primer lugar al modo de funcionamiento "mute", para pasar un corto período de tiempo después a su modo "on" (activado). La constante de tiempo de R4-C4 es de algunas decenas de milisegundos y su retardo entre los dos estados es suficiente para evitar las perturbaciones generadas por el fenómeno de encendido. El conmutador S1 permite que el amplificador pueda conmutarse a su estado de reposo ("standby") cuando no es necesario utilizarlo durante un cierto periodo de tiempo. Cuando este tiempo ha transcurrido, el amplificador pasa rápidamente a su modo de funcionamiento normal. El consumo de corriente en el modo de reposo es prácticamente despreciable, ya que se aproxima a los 200µA. La resistencia R3 evita crear una corriente de cortocircuito, resultante cuando S1 está siendo cerrado, en el instante en que C4 se está descargando. INDICACIÓN DE ERROR La salida de diagnóstico (terminal 8) del TDA 1562Q es una de las pocas facetas que este componente tiene completamente nueva. Como se muestra en el diagrama de bloques, esta salida puede ser utilizada para controlar directamente un indicador de error visible como D1. Durante el modo de funcionamiento normal, el diodo debe de estar apagado. El encendido puede ser provocado por una de estas cuatro posibles causas: 1. El amplificador tiene un exceso de corriente. El circuito interno responsable para generar la indicación es el "Detector de Distorsión Dinámico" (ver Figura 1). En la practica, éste será el caso cuando la distorsión llegue a superar el 1,6% a 1 Khz. Por lo tanto, el diodo es un indicador de tipo flash. 2. Existe un cortocircuito entre las salidas o entre una de las salidas y la línea de alimentación. En el primer caso, las salidas están inhabilitadas, con lo que la red de protección chequea durante cortos intervalos de tiempo si el cortocircuito ha sido suprimido. La salida DIAG está entonces inhabilitada durante unos 30 µs, a intervalos de 20 ms. En el caso de un cortocircuito entre una de las salidas y la línea de alimentación, la salida DIAG se mantiene activa. 3. El sensor interno mide la temperatura de 145 C, después de lo cual se activa el correspondiente circuito de protección si se supera esta temperatura.

4 4 4. El circuito integrado está en el estado de alimentación. Cuando se conmuta al estado de encendido, el diodo se apaga. Sin embargo, si la impedancia de salida no es la especificada durante el proceso de encendido, el diodo permanece encendido. Funcionamiento en clase H Un amplificador funcionando en Clase H es algo semejante a un amplificador que trabaja en Clase G, que es un amplificador de potencia en el que han sido combinados dos amplificadores en Clase B con diferentes tensiones de alimentación. El amplificador aumenta las señales de pequeña amplitud con la tensión de alimentación más baja, lo que produce una media de eficiencia mucho mayor para la voz y la música. Cuando las señales sobrepasan la amplitud de la tensión de alimentación, el amplificador que pasa a funcionar es el de mayor tensión de alimentación, mientras que el primero, el de más baja tensión, se desconecta. En un amplificador Clase H la tensión de alimentación se varia por medio de un amplificador eficiente que trabaja en Clase S, o por la configuración que se muestra en el presente diseño, de manera que se mantiene justo por encima del mínimo valor requerido para evitar la saturación. Esta configuración también consigue una eficiencia media mucho más alta para las señales de voz y de música. (Un amplificador Clase S es un amplificador de audio con un ancho de pulso modulado, en el que los elementos activos son controlados por un control de frecuencia varias veces superior al de la frecuencia de la señal que está siendo amplificada. Este tipo de amplificador tiene una eficiencia de alrededor del 90 %). En el presente amplificador, el funcionamiento en Clase H se consigue por el uso de los condensadores conmutados, C7 y C2. Estos condensadores son cargados a la tensión de la batería y colocados en serie con la línea de alimentación de 12 V, durante breves espacios de tiempo. En el esquema los transistores T7-T4 forman parte que un amplificador "normal", mientras que los transistores T5-T8 y los condensadores C7 y C2 son añadidos para el funcionamiento en Clase H. Con una amplitud de pequeña señal, los transistores T7 y T8 están activados y los condensadores C7 y C2 son cargados a la tensión de la batería por medio de los diodos D7 y D2. Cuando la amplitud de la señal tiende a llevara los transistores T1 o T3 a saturación, el sensor interno (control de recarga/aumento) detecta este hecho y provoca que los transistores T7 y T8 pasen a estar en corte, con lo que T5 y T6 se activan. Cuando esto sucede, los condensadores C7 y C2 pasan a estar en serie con la línea de alimentación. Los diodos D7 y D2 evitan que estos condensadores se descarguen sobre la batería. Cuando la amplitud de la señal de entrada disminuye, los condensadores se unen a masa de nuevo, por medio de los transistores T7 y T8, con lo que comienzan de nuevo a cargarse. UNA PLACA COMPACTA El amplificador se monta sobre una placa de circuito impreso de una sola cara, tal y como se muestra en la Fig. 3. Como hemos mencionado anteriormente, la placa es bastante pequeña para un amplificador de salida. De hecho, la mayoría de su superficie está siendo utilizada por los cuatro conectores tipo espada, de los usados en los coches. A través de estos conectores se suministra la tensión de alimentación y se conectan los altavoces al amplificador. El pequeño tamaño de la placa también crea algunas dificultades. Por ejemplo, si los condensadores electrolíticos se montan en primer lugar, el montaje de circuito integrado resulta algo difícil. Por lo tanto, se recomienda comenzar el montaje del circuito fijando en primer lugar el circuito integrado sobre el radiador (utilizando un poco de pasta conductiva de calor). Además, debemos de asegurarnos que después de que la placa ha sido colocada en su correspondiente caja, su cara de soldadura (cara de las pistas) es accesible para trabajar sobre ella. Una vez que la placa y el radiador han sido fijados a la caja, soldaremos los terminales del circuito integrado a la placa.

5 5 Debemos asegurarnos que los terminales de los altavoces no están cortocircuitados a masa (no pueden estarlo) cuando se monte la placa en el interior de la caja, ya que aunque el circuito integrado está protegido contra situaciones límite y contra el mal uso, siempre es mejor no tentar a la providencia. En la mayoría de los casos podremos montar dos módulos amplificadores en una sola caja: uno para el canal derecho y otro para el canal izquierdo. Para aquellos que aún consideren que una potencia de 2 x 55 W no es suficiente, pueden considerar la opción de controlar los altavoces frontales y traseros del vehículo con amplificadores separados. Esto nos da un número total de módulos necesarios de 8, que entregarán un total de 400W de potencia de audio dentro de vehículo. En esta situación deberemos de tener cuidado con los cristales de las ventanillas del coche. Breves datos técnicos Propiedades Alta potencia de salida a través de un amplificador trabajando en clase H Baja potencia de disipación durante la reproducción de señales de audio Protección contra cortocircuitos Protección contra temperaturas excesivas Conmutador de reposo Sin "clicks" de encendido ni apagado Indicación visible de error Resultados de las medidas (a U b =14.4 V) Tensión de alimentación 8-18 V Sensibilidad 760 mv r.m.s. Impedancia de entrada 70 kω Potencia de salida 54 W r.m.s. into 4Ω (f=1 khz; THD+N=1 %) Distorsión armónica (THD+N) a 1 W sobre 4Ω 0.046% (1 Khz.) 0.29% (20 Khz.) a 35 W sobre 4Ω: 0.12% (1 Khz.) 0.7% (20 Khz.) Relación señal / ruido (con 1 W sobre 4Ω) 88 dba Potencia ancho de banda 7.5 Hz 185 Khz. (a 25 W sobre 4Ω) Corriente en reposo unos 135 ma ('encendido)