23 Armado de un amplificador para automóvil

Generador de tonos de audio

Descargue Audacity según el Windows que tenga instalado y cuando baje completa realice una instalación siguiendo las indicaciones del programa de instalación: es todo muy simple y no tendrá problemas de ningún tipo inclusive se puede seleccionar el idioma de la pantalla. Pique sobre el icono y obtendrá una pantalla como la indicada en la figura 1.

Fig.1 Pantalla del Audacity

Este programa tiene un uso general como grabador y conversor de sonido a archivos mp3, pero nosotros vamos a emplear sus funciones como generador de tonos de audio. Ingrese en el menú desplegable Generar>Tono y luego seleccione Forma de onda, Frecuencia, Amplitud y Longitud. Aclaremos cada item en particular:

• La forma de onda (realmente forma de señal) puede seleccionarse entre tres formas diferentes y las tres tienen una gran importancia en nuestras pruebas del amplificador: senoidal,  diente de sierra ó cuadrada.
• La frecuencia es una opción obvia pero debemos aclarar que la frecuencia máxima que se puede generar es de 20 KHz que resulta adecuado para la prueba de nuestro amplificador: si Ud. coloca una frecuencia mayor automáticamente queda colocada la frecuencia de 20 KHz. Nota: la frecuencia máxima depende de la velocidad de muestreo de la señal digital de salida, que es un concepto que aun no dominamos. Variando la frecuencia de muestreo se pueden lograr frecuencias mas altas.
• La amplitud puede ser modificada entre 0 y 1 correspondiendo el valor 1 al 0 dBm o 0,775V eficaces saliendo de la plaqueta de audio de la PC, simplemente coloque un valor de .5 si desea obtener la mitad de la señal del generador. Durante la generación del tono se puede variar la amplitud ajustando el potenciómetro deslizante simulado de la izquierda indicado con el dibujo de un parlante. Como la PC tiene diferentes formas de ajustar el volumen de salida se recomienda siempre verificar el nivel con un medidor adecuado que puede ser la Sonda de RF para audio.
• La longitud se refiere al tiempo que debe durar el tono generado y su valor puede variar desde 1 segundo hasta un valor superior a 1 Hora.

Ejemplo de generación de señales de audio y su uso

El uso mas común del generador de audio es la medición de la potencia de salida de un amplificador.

Esta medición está estandarizada, pero como es una de las mediciones más reveladoras de un amplificador existe una gran cantidad de errores cometidos al realizarla. Algunos son verdaderos errores, otros son cometidos sabiendo que ese pequeño error va a generar una supuesta potencia de salida mayor a la real. Nos referimos a la carga del amplificador y a su medición con los dos canales al mismo tiempo o uno por uno.

En este mismo curso le explicamos como construir una carga resistiva para probar amplificadores. En la lección  19 se explica como se puede construir una carga resistiva genérica de 8 Ohms que soporta tranquilamente 100W. Si no la construyó aun, constrúyala aunque quizás pueda ahorrarse los disipadores de aluminio si solo quiere medir la potencia de nuestro amplificador de 12+12W. Además puede construir solo dos cargas resistivas de 8 Ohms si va a fabricar el amplificador de 8+8W en caso contrario deberá construir 4 y poner dos en paralelo para lograr los 4 Ohms.

El primer paso para tecnificar su taller ya está dado. Ud. tiene cargas resistivas de prueba. El segundo paso es armar dos amplificadores. Como medida de control puede armar uno y probarlo pero la medición definitiva debe realizarse con los dos amplificadores funcionando y la propia fuente que va utilizar realmente con el cable del largo y la sección adecuados.

En nuestro caso en que estamos construyendo un amplificador para un automóvil esto puede resultar complicado e incomodo porque presupone quitar la batería del coche y llevarla al taller pero no hay otra posibilidad, si realmente quiere medir la potencia real de su equipo, porque la potencia varía el doble que la tensión de fuente. Si la fuente entrega 12V -10% la potencia será un 20% menor.

Si el amplificador funcionará con una fuente común Ud. debe utilizar esa fuente para realizar la medición de potencia porque las fuentes para amplificadores no son reguladas y la carga hace variar la tensión de salida. Recuerde que la fuente utilizada debe ser de 12V a 3,5A (es decir 42VA) para poder alimentar a ambos amplificadores considerados con un rendimiento del 60%.

¿Se puede utilizar una fuente de PC como fuente de un amplificador de audio? Eso depende de la fuente porque en la PC el consumo sobre los 12V es casi fijo y en un amplificador de audio es muy variable. Algunas fuentes lo soportan y otras no. En todo caso no puede dejar de agregar un capacitor de 10.000 uF por 25V en paralelo con la fuente de 12V para compensar la variación de carga.

Ahora le llega el turno al truco de magia que hacen los que fabrican amplificadores y que consiste en medir primero un amplificador y luego el otro. Al no medirlos la mismo tiempo la fuente tiene la mitad de consumo y una fuente no regulada de mala calidad puede tener quizás una variación del 20% de su tensión nominal al probarla a plena carga. Y este 20% implica un 40% de variación de la potencia.

Medición de potencia de audio

Ahora que conocemos todas las trampas vamos a realizar una medición de potencia de audio como corresponde. Con las dos plaquetas amplificadoras cargadas resistivamente con 4 u 8 Ohms. Las dos entradas excitadas en estereo (o en paralelo) con una señal de 1 KHz y un adecuado medidor de potencia sobre las salidas. Lo mejor sería un osciloscopio pero a falta de osciloscopio basta con la sonda de audio que el lector ya debe haber armado; y mejor aun serían dos sondas para no tener que cambiarla de salida constantemente. El amplificador debe tener su propia fuente o la batería del auto y el largo y tipo de cable que será utilizado luego definitivamente.

1. La medición consiste en levantar las entradas de señal hasta que se recorte uno de los picos y allí realizar la medición de la tensión de pico a pico. 
2. Si esta utilizando un osciloscopio no tendrá inconvenientes en saber cuando se recortan los picos. Si no tiene osciloscopio es un poco mas difícil pero no es imposible. Debe aumentar la señal lentamente y observar que el tester incrementa la indicación hasta que un incremento de la señal de entrada ya no aumente la salida. La indicación del tester será la máxima salida posible del amplificador. Sin osciloscopio existe un método alternativo que consiste en monitorear las salidas con un amplificador de PC y detener el aumento de la entrada en cuanto se comience a escuchar una mínima distorsión.

Nosotros tenemos construidas 4 plaquetas amplificadoras de audio, a saber 2 por canal. Dos de ellas armadas con inversor y las otras dos como simples amplificadores. Podríamos armar todo el conjunto y probarlo completo. Pero así sería difícil ubicar una falla. Es preferible probar las cuatro plaquetas primero y luego de un estricto control probar el conjunto armado en doble puente, uno para el canal izquierdo y el otro para el derecho.

Vamos a probar primero las plaquetas amplificadoras sin inversor y luego con inversor.

En la figura 2  se puede observar el circuito correspondiente sin el transistor inversor y sin capacitor de salida. Y en la figura3 el armado de la plaqueta lista para probar. Por supuesto para armar un amplificador en puente se debe armar dos.

Fig.2 Circuito de la plaqueta sin inversor; sin capacitor de salida y sin regulador de tensión

Fig.3 Plano de armado de la plaqueta sin inversor y sin capacitor de salida (por claridad no se colocó el disipador)

Nota1: Q1 = TIP41C ; Q2 = TIP42C Q9 = TIP29C o TIP31C Q10 = TIP30 o TIP32 ; Q4 = BC548C y Q5 = BC548C

En la figura 4 se puede observar el circuito de la plaqueta completa con transistor inversor, control de volumen regulador y sin capacitor de salida que completa el conjunto si se fabrican dos iguales. Y en la figura 5 se observa el plano de armado correspondiente.

Fig.4 Circuito completo con inversor, control de volumen regulador y sin capacitor de salida

Fig.5 Plano de armado de la plaqueta con inversor, control de volumen, regulador y sin capacitor de salida (por claridad no se colocó el disipador)

1. Comience conectando solamente la fuente de 12V y el tester digital en función amperímetro en serie con el colector de Q1. Le conviene dejar el colector doblado hacia arriba para conectar el tester y luego de hacer el ajuste pasar un alambre fino que además sirve de fusible.
2. La medición consiste en ajustar el preset R3 o RV3 de modo que el miliamperímetro indique 10 mA aproximadamente. No se preocupe si observa que la corriente varía levemente eso se llama deriva térmica y solo puede variar unos pocos miliamperes. 
3. Desconecte el amperímetro y haga el puente correspondiente.
4. Desconecte la fuente y conecte la resistencia de carga de 4 Ohms con un capacitor electrolítico de 2200 uF en serie sobre la salida de parlante. Si no coloca el capacitor en serie la resistencia de carga hace un cortocircuito sobre la tensión continua de salida y probablemente queme los transistores de salida.
5. Conecte el generador de audio o la salida de la plaqueta de audio de la PC, a la entrada del amplificador pero utilizando un capacitor electrolítico de 100 uF y un resistor de 1K conectado a la fuente de +12V. Este detalle nos asegura que el capacitor de entrada C3 quede polarizado adecuadamente. Nota: para otros usos en donde la entrada deba ir conectado a otro equipo, por ejemplo un control de tono y volumen, se deberá estudiar en cada caso particular la posición de C3.
6. Conecte un osciloscopio o la sonda de RF de valor pap en su versión para audio sobre la salida y comience a levantar el nivel hasta lograr el recorte. Ya que le enviamos el archivo de WB yo le aconsejo realizar las mediciones en el simulador primero y en la realidad después para comprobar la potencia de simulación del WB.

Recordemos como se calcula la potencia de salida

1. La sonda le da el valor pap. 
2. Divida por dos y obtendrá el valor de pico. 
3. Luego multiplique por 0,707 y obtendrá el valor eficaz. Multiplique el valor eficaz por si mismo para obtener el cuadrado y divídalo por la resistencia de carga.

 En nuestro caso obtenemos una tensión pap de 10,5V, dividida por 2 es 5,25V. Multiplicada por 0,7 es 3,71 V eficaces que multiplicadas por si mismo da 13,77 y dividido por la resistencia de 4 Ohms da un valor final de 3,44W.

Al hacer la medición de potencia es conveniente medir la corriente consumida de la fuente.

1. Desconecte el positivo del tester y conecte el tester en serie predispuesto como amperímetro. La indicación será de aproximadamente 700 mA.
2. Luego lleve la frecuencia de entrada a 100 Hz y observe que no cambie la indicación de la sonda de audio de salida. 
3. Posteriormente cambie la frecuencia a 20 Khz y vuelva a controlar que no cambie la indicación de la salida.De este modo sabemos que el amplificador tiene la potencia correcta, la amplificación correcta y la respuesta a frecuencia es adecuada y por lo tanto podemos darla por aprobada.
4. Ahora tome una plaqueta armada con inversor y potenciómetro de control de volumen. Ponga el volumen al máximo y conéctela a la carga resistiva con capacitor en serie. Luego conecte el osciloscopio y/o la sonda detectora de valor pap. La salida del generador de audio o de la plaqueta de audio de la PC en este caso se conecta directamente a la pata de entrada de J1 (el vivo del potenciómetro de volumen).

Las pruebas a realizar son las mismas que las de la otra plaqueta pero en este caso hay que verificar con el osciloscopio o la sonda que en la pata marcada INVERS exista la misma amplitud de señal que en la entrada. Esto indica que el inversor funciona correctamente.

Conexión del amplificador en doble puente

Ya estamos llegando a la prueba final. Ahora vamos a conectar las cuatro plaquetas la carga resistiva y el generador de señal o la PC para realizar una prueba de potencia y de respuesta en frecuencia de todo el dispositivo completo. 

En la figura mostramos un parlante como carga del sistema. Si nos animamos a usar el parlante es porque las plaquetas ya fueron probadas por separado. Pero Ud. puede probar primero con la carga resistiva y luego colocar el parlante.

Una de las mediciones que vamos a realizar es la de respuesta en baja frecuencia. En realidad es una prueba aproximada porque la prueba definitiva depende del montaje de los parlantes y debe realizarse a oído con música o cargando el reproductor de MP3 con señales de prueba de diferentes frecuencias generadas con el audacity. Lo primero es analizar en que frecuencia resuenan los parlantes en su posición definitiva. Esto se comprueba con la sonda y el tester conectada sobre los parlantes y variando la frecuencia aplicada. A la frecuencia, donde la sonda marca un máximo, está la frecuencia de resonancia del sistema.

Si esa frecuencia está por ejemplo de 80 Hz debe reducir los valores de C3 y C7 para que el amplificador corte (tenga una caída de la salida al 70% del máximo a 1 KHz). Esto evita lo que se llama efecto tonel (o barril) que es un refuerzo muy grande los bajos a la frecuencia de resonancia del parlante y el gabinete acústico.

• Esto reduce los bajos pero los hace mucho mas limpios (sin distorsión) y clarifica la voz de locutores y cantantes.
• Si quiere mas bajos sin efecto tonel debe usar parlantes mas grandes que tiene una respuesta en frecuencia de valor mas bajo (quizás 40 Hz) y permite dejar los capacitores originales.

La otra es construir otro amplificador y conectarle un Buffer para obtener esos bajos que se escuchan con el estomago (hacen vibrar el diafragma del cuerpo humano que existe ente los pulmones y el estomago).

Fig.6 Conexión del amplificador estereofónico completo

En figura 7 se puede observación la conexión de un canal listo para la prueba. No dibujamos los dos canales por problemas de espacio y porque no tiene mayor sentido debido a que nuestra fuente de tensión no cambia con el consumo.

Fig.7 Circuito completo de un canal con el instrumental conectado

Vamos a suponer que no tenemos osciloscopio

1. Colocamos la sonda de audio sobre el parlante y ponemos 0 dBm de señal de entrada es decir 660 mV.
2.  Llevamos el control de volumen a mínimo, encendemos la llave y medimos tensión continua con el tester sobre el parlante directamente (sin sonda) . El valor leído debería ser de cero volt pero nunca se puede conseguir que los dos amplificadores tengan la misma tensión continua de salida igual a la mitad de fuente. Unos 100 a 200 mV de diferencia pueden ser aceptables. Si el valor es superior se aconseja variar levemente el valor de R5 o de R12 para igualar la tensión de salida.
3. Ahora conectamos el tester a la sonda y comenzamos a aumentar el volumen mientras observamos el tester digital. La salida aumentará linealmente hasta que llega a un punto donde no aumenta mas. Si está monitoreando la salida de audio o está haciendo la medición con el parlante directamente observaremos que se comienza a oír una señal armónica de distorsión de 3 KHz y otras armónicas impares. Este producto de distorsión como sabemos se produce por el recorte del amplificador. El valor que indique la sonda nos permitirá calcular la potencia de salida.

En nuestro caso fue de exactamente 20V pap. Es decir 10V de pico o 7,07 V eficaces que multiplicados por si mismo da un valor de prácticamente 50 V2. Dividiendo por la resistencia del parlante de 4 Ohms nos da el valor esperado de 50/4= 12,5W.

Pruebe el funcionamiento a 50Hz y a 10 KHz cambiando la frecuencia del audacity y observe que la sonda no varíe mayormente la indicación de tensión pap.

Instalación del amplificador y parlantes

No queda mucho mas por hacer que no sea la instalación de nuestro amplificador y nuestros parlantes en el automóvil. Pero primero vamos a escuchar algo de música con nuestro reproductor de MP3.

Comencemos con algún tema grabado que tenga buenos bajos y buenos agudos. Luego le indicaremos como crear sonidos de prueba en el audacity. El reproductor de MP3 posee una salida para un plug estereofónico.

Fig.8 El miniplug de un reproductor de MP3

Sáquele la carcaza de plástico al miniplug y observará las tres conexiones que prolongan la masa, el anillo y la punta. Compre cable blindado estereofónico y cablee el plug con el largo justo de acuerdo a donde va a colocar el amplificador y los parlantes. Mi consejo es que coloque los parlantes detrás del asiento trasero sobre la repisa que separa la cabina del baúl y los amplificadores al lado de los parlantes. Esa repisa por lo general es de cartón Hardboard tapizado. Pegue del lado de abajo un panel de aglomerado del mismo tamaño de 10 mm de espesor y luego perfore los agujeros de los parlantes uno a cada lado del panel. Compre unas buenas rejillas a medidas para tapar el cono y luego debe colocar las plaquetas y cablearlas con cable de 1,5 mm2 de sección.
 
Tome la conexión de fuente directamente desde la batería colocando el interruptor cerca de lugar del conductor. El grabador de MP3 debe estar a mano del conductor y queda la pregunta de cómo realizar la conexión a las plaquetas.

• Si usa un MP3 no tiene sentido usar el potenciómetro de volumen porque ya está incluido en el MP3. Puentee en el circuito impreso el tope del potenciometro con el cursor y tire un cable blindado estereofónico hasta el panel de instrumentos donde seguramente va a montar el MP3 y conecte el miniplug al cable blindado. 
• Si el MP3 tiene radio recuerde que la antena es la propia malla de blindaje del cable estereofónico de audio y quizás deba pasarla sintonizando una radio lejana y buscando el lugar de mejor recepción. 

El autor pegó el cable blindado al parabrisas a unos 3 cm por debajo del borde superior del mismo atravesándolo de izquierda a derecha y luego lo llevó a las plaquetas.

Con los parlantes horizontales sobre la repisa trasera hay dos problemas. No se escuchan los agudos y los parlantes se llenan de tierra. Una solución es agregar dos tweeters de bocina conectados sobre los parlantes con capacitores en serie de 1 uF a 2,2 uF (pruebe con música o utilizando el audacity para establecer el corte en 5 KHz) no polarizados (en el comercio se conocen como de polyester metalizado).

Otra que considero mas adecuada es construir dos gabinetes para los parlantes algo mayores que el diámetro del mismo, pero sin el piso y perforar la repisa del tamaño de piso abierto del bafle. De ese modo el volumen del gabinete acústico es todo el baúl del coche y como los parlantes están verticales no se llenan de tierra y no requieren tweeter respetando de este modo el concepto del diseño que indica que debe ser el sistema mas barato posible de realizar.

Conclusiones

Yo no soy un autor fácil. De esos que le dice hagan “esto o aquello” y no le dan ninguna explicación de los “porque o los como”. Un buen vaqueano explica como se encuentra el camino sin perderse en el bosque. Y la electrónica actual es muy compleja y requiere mucho tiempo para aprenderla; y mucha experiencia práctica. Hay que armar equipos probarlos, modificarlos, preguntar, y sobre todo estudiar y pensar. Si no tiene tiempo dedíquese a otra cosa porque no va aprender electrónica sin mucha dedicación.

Hoy terminamos el tema del audio analógico.  Nos queda el tema de completar el receptor de radio explicando como es una radio moderna del tipo superheterodino pero no dijimos una sola palabra de los nuevos amplificadores de audio que son digitales. Mas aun no hablamos de los circuitos digitales; solo tratamos la rama analógica salvo una pequeña incursión por los microprocesadores programables.

Por ahora vaya poniendo el cartelito “Se reparan amplificadores de audio” porque seguramente de ese tema ya sabe y está mejor equipado que muchos que se dedican al tema y viven de él y no saben lo que es la potencia y como se mide.