Construya un Amplificador Monofónico de 100 Watts Versión 2.0

Debido al éxito del Amplificador de 100W, que no es más que una versión mono de nuestro Amplificador estéreo de 200W, Hemos desarrollado una versión del famoso amplificador de 100W a partir del Amplificador de 400W mono. Tiene mejor respuesta y fidelidad que el amplificador de 100W antes mencionado.

Presentamos un Amplificador de sonido de 100 watts, que utiliza transistores NPN para los dos semiciclos. A esta configuración se le conoce como Amplificador Cuasi-complementario. Este amplificador de audio es una versión mono del amplificador conocido popularmente en nuestras costas colombianas como “la zener”. Se le dio este nombre gracias a que su circuito lleva un diodo zener que estabiliza el par diferencial de la entrada. Su gran estabilidad, potencia aceptable y baja distorsión armónica, lo hacen ideal para amplificar el preamplificador de guitarra eléctrica, el preamplificador de bajo o simplemente para su uso casero.

Su diseño es compacto

Se puede trabajar con una carga de 8 ohmios. En caso de querer usarlo con una carga a 4 ohmios, es necesario cambiar los transistores de salida 2SC5200, por los transistores 2SC3858, MJL21194 o 2SC2922. Cuando se habla de 4 ohmios, quiere decir que podemos colocarle 2 parlantes de 8 ohmios en paralelo en su única salida.
Es importante aclarar que si el amplificador trabaja a 8 ohmios y entrega una potencia aproximada a los 100W, no quiere decir que al trabajar a 4 ohmios la potencia se duplica. Como sólo son dos transistores de salida, no se incrementa la potencia al doble como normalmente se cree. Lo que sucede en realidad es que lo estamos obligando o forzando a entregar más potencia y el incremento de potencia no superará en un 20% aproximadamente. Si coloca mas transistores en paralelo, cada par de transistores 2SC5200 adicionales pueden incrementar la potencia aproximadamente en unos 100W. Además al aumentar los transistores, debemos modificar la fuente de alimentación para que provea la energía suficiente, de acuerdo al trabajo de los transistores que se agreguen. Si desea aumentar la potencia es necesario colocar más transistores en paralelo, tal como se puede apreciar en la versión mono de 400 Watts.

Etapa de regulación con diodo zener

Una de las grandes cualidades de este amplificador es su gran estabilidad. Esto se debe a la etapa de regulación que alimenta el par diferencial de la entrada. Esta consiste en un diodo zener que puede ser desde 18, hasta 24 Voltios. Este zener va acompañado de su respectiva resistencia de polarización. En este caso usamos una resistencia de 4.7K a 1W. La etapa de regulación antes mencionada, mantiene estable el voltaje que llega al par diferencial formado por dos transistores A1015. El diodo zener entrega un voltaje estable y constante, evitando así fluctuaciones de voltaje.
Hay amplificadores en los que el voltaje llega directamente de +Vcc y que cuando hay variaciones en el voltaje, también varía en el punto de unión de los emisores de los A1015. Este amplificador por el contrario mantiene el voltaje correcto, gracias a esta etapa de regulación.

Haremos un recorrido de la señal de audio

Al tiempo que debe ir viendo el diagrama que se encuentra en el PDF, lea una breve explicación del funcionamiento de las partes del amplificador.
La señal entra por un conector MOLEX de dos pines de 2.54mm. Luego pasa por un condensador de 2.2 uF (C1), conocido con el nombre de condensador de desacople DC. Éste se encarga de separar el reproductor de sonido o el preamplificador, del amplificador. evita que pasen voltajes DC del uno al otro. El valor aconsejado puede variar desde 0.47 uF, hasta de 4.7 uF.
Después de que la señal pasa por el condensador de desacople, llega a un par de transistores (Q1 y Q2). Se trata de dos A1015 (PNP). Se encuentran en configuración emisor común, recibiendo el voltaje de la etapa de regulación antes mencionada. A ésta configuración se le conoce con el nombre de “Par diferencial”. La base de (Q1) recibe la señal de audio, mientras que la base de (Q2) está al punto centro o punto de reposo del amplificador, Hay una resistencia de por medio, entre (Q2) y la salida al parlante.
Los colectores están a –Vcc o voltaje negativo, por medio de un par de resistencias de 3.3K. A su vez los colectores entregan la señal a los transistores C2229 (Q3 y Q4) que también están conectados por colector.

Transistores pre-excitadores

Los transistores C2229 (Q3 y Q4), conocidos como pre-excitadores. Se encargan de preamplificar la señal proveniente del par diferencial.
Los C2229 son transistores de gran rendimiento. Fueron muy usados en aplicaciones de video TV CRT. También en conmutación de alta tensión y como impulsores (drivers) en amplificadores de audio.
El uso de forma continua o con sobrecargas (por ejemplo, la aplicación de alta temperatura, corriente, tensión o cambios fuertes de temperatura, etc), pueden causar una disminución de su rendimiento, incluso si las condiciones de funcionamiento están dentro de los valores máximos absolutos.
En este caso el trabajo de los 2SC2229 es bastante descansado, así que no deben calentar para nada.
Si por alguna razón estos transistores muestran altas temperaturas, puede que sean falsificados o que haya un error en el ensamble del circuito impreso.

NOTA: Los transistores 2SC2229 No deben tener una ganancia (hFE) superior a los 190. De lo contrario son falsificados. Cuando los 2SC2229 son falsos, hacen entrar en corto los transistores de salida, averiando éstos. Puede usar como reemplazo el 2SC1573, el 2SC2271 o el 2SC1921.

Transistores impulsores

En la fotografía observamos tres transistores de potencia media. Son dos transistores TIP42 y un TIP41. Los TIP42 son transistores bipolares de silicio de base negativa y los TIP41 son de base positiva. Estos transistores tienen una alta ganancia de corriente. Soportan corrientes hasta de 2 amperios, y son ideales para aplicaciones de conmutación. Además son muy usados en aplicaciones de audio y amplificadores.
En este caso el transistor TIP42 que se encuentra en el centro es parte de la regulación de BIAS. El ajuste de BIAS consiste en regular la intensidad que circula por los transistores de salida, cuando el amplificador se encuentra en reposo.
El TIP41 se encarga de impulsar el transistor 2SC5200 del semiciclo positivo.
El transistor TIP42 del lado derecho se encarga de impulsar el transistor 2SC5200 del semiciclo negativo.
Al momento de comprar los TIP, recuerde medir el beta con un multímetro que tenga función para mediciones de Beta o hFE. Debe obtener un valor entre 120 y 160. Si es menor o mayor a este valor, pueden ser falsificados.

Los transistores de salida

Los transistores de salida 2SC5200 deben estar muy bien ajustados y debidamente aislados del disipador. Se utilizan aislantes de mica y ajustados con tornillos pasantes, arandelas y tuercas. Recuerde apretar muy bien los tornillos, para que el calor se transmita de los transistores al disipador y utilizar Grasa siliconada. Ésta mejora la conducción de calor.
NOTA: Los transistores de potencia originales son de ganancia baja. Para el casi de los 2SC5200, su hFE deberá estar entre 50 y 90. Recomendamos los transistores con una ganancia con un máximo de 70. Estos dan un excelente rendimiento.
En el caso de usar transistores 2SC3858, el hFE no debe superar los 50.
Otra medición importante al momento de comprar los transistores de potencia es la capacitancia. Consiste en colocar el multímetro en medición de condensadores, en la escala de nanofaradios. Luego se toca la base con la punta negra y el emisor con la punta roja. Debe dar una medición de entre 4 y 6 nanofaradios. Cuando es menor a este valor, por lo general son transistores de mala calidad y se quemarán fácilmente, al forzar el amplificador.

Ajuste de BIAS

El ajuste de BIAS consiste en regular la corriente que circula por los transistores de salida, cuando el amplificador se encuentra en reposo. Es decir que cuando el amplificador está en silencio, debe haber cero (0) voltios en la salida a parlante. Como la idea es hacer un amplificador de buena calidad, pero sin complicarse la vida demasiado, este amplificador ya tiene ajustadas las BIAS mediante una resistencia de 33 ohmios (R10) y dos diodos (D2 y D3). Sin embargo es importante verificar que sí estén bien ajustadas. Para esto se debe conectar el amplificador a la red pública, usando una Serie con un bombillo incandescente de 60W. Luego, con el multímetro en voltaje continuo, debemos medir en la resistencia, en el punto donde se une con el colector del TIP42 y la base del TIP41. Deberá medir entre 0.6 y 0.7 voltios. La otra medición se hace en el cátodo del diodo (D2), en el punto de unión con la base del otro TIP42. De igual manera deberá haber entre 0.6 y 0.7 voltios.
Cuando las BIAS están descuadradas puede haber distorsión por cruce, recalentamiento de los transistores y en algunos casos se puede quemar la etapa de salida.
Por esta razón es imprescindible hacer esta medición antes de conectar los parlantes. Si llegado el caso no se obtienen los voltajes correctos, revise muy bien el circuito y lea nuestra sección de Recomendaciones.

Control de Volumen

Al momento de usar el amplificador con respuesta plana (flat), es necesario colocar un potenciometro entre el reproductor de sonido y el amplificador.
Como los reproductores de audio normalmente son estéreo, hemos utilizado un terminal RCA hembra estéreo. Unimos las entradas de señal L y R por medio de dos resistencias de 2.2K. Así sumamos las dos señales, convirtiéndolas en una sola señal monofónica. El conector RCA se interconecta con el potenciómetro y con el conector MOLEX hembra de 2.54mm. Ésto por medio de cable blindado. La forma correcta de colocar un potenciómetro se hace de la siguiente manera:
La señal que viene del reproductor, va conectada al terminal 3 del potenciómetro (de izquierda a derecha). El terminal del centro del potenciometro, va conectado a la entrada de señal del amplificador. Y el terminal 1, interconecta el tierra del conector de entrada y el tierra del amplificador.
Si usted usa un preamplificador, no es necesario hacer esta conexión, puesto que éste ya trae su propio potenciómetro. El preamplificador se conecta de su salida de señal, a la entrada de señal del amplificador.

La fuente de alimentación

El amplificador se alimenta con fuente simétrica. Esto quiere decir que la fuente entrega un voltaje positivo, un voltaje negativo y un tierra o TAP central. El TAP central hace de punto de referencia al momento que el amplificador se encuentra en reposo.
Hemos usado 4 diodos de 3 amperios, interconectados de tal manera que forman un puente de diodos.
El puente de diodos se encarga de separar los semiciclos positivos de los semiciclos negativos y los dos condensadores rectifican estos semiciclos, convirtiendo la corriente alterna (AC) en corriente directa (DC).
Los condensadores de la fuente pueden ser de 4.700uF, hasta 6.800 uF. Si los coloca por debajo de este valor, puede perder contundencia de bajos en alto volumen y si los coloca por encima de 6.800uF, lo único que conseguirá es gastar más dinero.

El transformador

El transformador debe construirse según la carga que piense colocar. Si va a trabajar el amplificador a 8 ohmios, se usa alambre un poco más delgado que si lo trabaja a 4 ohmios.
Es un transformador con TAP central de 33+33V AC. Es decir que entre los extremos mide 66V AC y entre cada extremo y el TAP, mide 33V AC. La corriente debe ser de 3 amperios como mínimo.
Para la construcción de este transformador, hemos usado un núcleo de 3.8 centímetros, por 4 cm. En Colombia el voltaje de la red pública es de 120 voltios, por lo tanto tuvimos que enrollar en el devanado primario 331 vueltas de alambre calibre 22. Y para el devanado secundario dimos 182 vueltas de alambre calibre 17. Nos detuvimos en la mitad de vueltas del devanado secundario para soldar un cable de salida que hará de TAP central. Luego enrollamos la otra mitad de vueltas de alambre. Otra opción es enrollar el alambre en doble y dar sólo 91 vueltas.
Para los países que tienen un voltaje de 220 en la red pública, es necesario enrollar 607 vueltas en el devanado primario con alambre calibre 24. El devanado secundario es igual en ambos casos.
Si tiene alguna duda sobre la construcción del transformador, lea nuestro artículo de Cálculo de transformadores.

Amplificador terminado

Aquí podemos apreciar nuestro amplificador terminado, listo para encajar en su gabinete. Es muy importante que antes de encender este amplificador se hagan las mediciones pertinentes con el multímetro. Se debe colocar el multímetro en continuidad y medir la entrada de AC, sin conectar el transformador. No deberá medir nada. Luego mida la salida a parlante y tampoco deberá medir nada. Recordemos que al hacer estas mediciones, se alcanza a ver unos números antes de que el multímetro nos muestre un uno a la izquierda. Esto se debe a que con el voltaje del multímetro se cargan los condensadores de la fuente. El uno a la izquierda representa nada o infinita impedancia.

Si todas las mediciones son correctas, conecte el amplificador a la red pública usando un circuito serie. NUNCA LO CONECTE DIRECTAMENTE. El bombillo de la serie no deberá prender. Coloque el multímetro en voltaje continuo y mida la salida, deberá marcar cero (0) voltios. Mida las vías las cuales deben dar un voltaje de 0.7V y por último el voltaje de la fuente después de los condensadores. Si estas mediciones le dan correctamente, entonces es en ese momento que podrá conectar el parlante y una señal para probarlo.
Pero antes, veamos a continuación otras mediciones importantes.

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