CARGA DE B.F.

1.- INTRODUCCIÓN.

En algunas ocasiones es necesario comprobar el funcionamiento de un amplificador de baja frecuencia, su respuesta de frecuencia, nivel de distorsión, potencia de salida, etc. Para ello necesitamos un generador de señal de audio, un dispositivo para medir la distorsión y una carga para conectar en la salida del amplificador y así poder trabajar en silencio, sobre todo si la potencia de salida del amplificador es considerable.

En anteriores artículos se ha descrito la construcción de un generador de señal ( Enero-2002 ) y un filtro de 1000 Hz (Abril-2002). En las presentes líneas se propone la construcción de una carga de B.F. para conectar en la salida del amplificador bajo prueba y poder realizar medidas en completo silencio. La carga que se describe está formada por dos resistencias de 4 ohmios para poder probar amplificadores estéreo. También se pueden conectar en serie las dos resistencias para obtener una impedancia de 8 ohmios. La potencia que puede disipar es de 100 vatios por canal, de manera continua, en total 200 vatios. Esta potencia puede ser bastante mayor durante cortos espacios de tiempo, ya que se ha dispuesto un sistema de ventilación forzada que se pondrá en funcionamiento automáticamente en el caso de una elevación importante de la temperatura. Probablemente se podrán probar amplificadores de hasta 500 vatios de potencia de salida, equipos que normalmente no se encuentran en el cuarto de la radio. No obstante, esta carga podrá ser de utilidad a aquellos lectores que, de manera más o menos esporádica, tengan que realizar este tipo de pruebas.

2.- DESCRIPCIÓN.

En la figura número uno tenemos el esquema general de la carga. Las resistencias R8 y R9 constituyen la carga propiamente dicha. Se trata de dos resistencias de 4,7 ohm y una disipación de potencia de 100 vatios. Estas resistencias están encapsuladas en unas carcasas de aluminio con aletas de refrigeración para la disipación del calor.

El resto del circuito es un termostato que pondrá en marcha un ventilador cuando la temperatura de la carga sobrepase un nivel previamente fijado. En este circuito se utiliza una resistencia de coeficiente negativo de temperatura (Negative Temperature Coeficient, NTC) para tomar la temperatura de la carga. Esta resistencia NTC, R2, forma un divisor de tensión con el conjunto formado por el potenciómetro VR1 conectado en serie con la resistencia R1. Las resistencias R3 y R4 forman otro divisor de tensión y como son del mismo valor, en su punto de unión tendremos la mitad de la tensión de alimentación, es decir 6 voltios. Esta tensión queda aplicada a la entrada no inversora del amplificador operacional U1 que es del tipo 741, un modelo muy corriente y que puede tener diversas letras delante de las cifras. LM741, µA741, CA741, etc. son siglas del mismo tipo de circuito integrado.

Cuando la resistencia NTC está fría, su resistencia es elevada, por lo que la tensión en la entrada inversora del operacional, patilla 2, será superior a 6 voltios, haciendo que en la salida de U1, patilla 6 tengamos una tensión cercana a cero voltios.

Cuando la resistencia NTC se va calentando su resistencia disminuye y por tanto, la tensión en la patilla 2 va disminuyendo hasta el punto en que esta tensión se hace inferior a 6 voltios, que es el nivel fijado por R4 y R5. En este momento, el operacional, que funciona como un comparador, bascula y en su salida tenemos una tensión cercana a la de alimentación, es decir casi 12 voltios.

Esta tensión de salida queda aplicada, a través del diodo D1 y la resistencia R6, a la base del transistor Q1, haciendo que este conduzca y excite el relé RL1. Al cerrarse los contactos de este relé, el ventilador V1 se pondrá en marcha, refrigerando la carga. Al bajar la temperatura de la carga, la resistencia NTC va aumentando de valor y por tanto, la tensión en la patilla 2 va aumentando, hasta el punto que sobrepasa el nivel de 6 voltios. En este momento la tensión de salida del operacional cae hasta casi cero voltios, el transistor Q1 deja de conducir, el relé RL1 se desexcita y el ventilador V1 se detiene.

El potenciómetro VR1 fija el nivel de temperatura que hará que se ponga en funcionamiento el ventilador. El condensador C1 sirve para desacoplar la alimentación. Los condensadores C2 y C3, conectados a las entradas del operacional, derivan a masa cualquier componente de alterna que pudiera aparecer. La resistencia R5 conectada entre la salida y la entrada no inversora del operacional produce una realimentación positiva y hará que la tensión de salida bascule rápidamente entre los niveles alto y bajo, para que el relé se excite y desexcite rápidamente. Así mismo, esta resistencia proporciona un cierto grado de histéresis, de tal manera que la temperatura a la que se pone en funcionamiento el ventilador será un poco más alta que la temperatura a la que se detiene.

El diodo zener D1 impide que la pequeña tensión que pueda aparecer en la salida de U1 cuando está a nivel bajo, pueda ser suficiente para excitar el relé. La resistencia R6 limita la corriente de base del transistor Q1. El diodo D3 deriva a masa las sobretensiones que se producen en la bobina del relé cuando Q1 deja de conducir, impidiendo que éstas puedan dañar el transistor.

El relé utilizado es un modelo con una tensión de funcionamiento de 12 voltios y un tamaño similar a un circuito integrado DIL de 16 patillas. Los dos circuitos que posee se han dispuesto en paralelo para mayor seguridad. Es posible utilizar cualquier otro relé con una bobina para 12 voltios y un solo circuito.

En paralelo con la bobina del relé existe un diodo LED de color verde, D2, con su correspondiente resistencia limitadora R7. Este diodo servirá de testigo del funcionamiento del termostato.

El ventilador utilizado es un modelo con alimentación a 220 voltios de alterna y un tamaño de 12 x 12 centímetros.

El circuito se alimenta de la red de 220 voltios mediante un transformador con un secundario de 12 voltios. Esta tensión de 12 voltios se rectifica mediante el puente BR1 y una vez filtrada con el condensador C5 se aplica al regulador U2, 7812, que proporciona una tensión de 12 voltios de continua perfectamente estabilizada. En la salida de este regulador se encuentra el diodo LED de color rojo, D4 y su correspondiente resistencia limitadora, R8, para indicar el funcionamiento de la alimentación.

3.- CONSTRUCCIÓN.

El prototipo se ha construido sobre una base formada por una chapa de aluminio de 2 milímetros de grueso y unas medidas de 27 centímetros de largo por 17 centímetros de ancho. Alrededor de esta base se han dispuesto unos ángulos de aluminio de 15x15x1 para dar rigidez a la base y posterior sujeción de la cubierta.

Las dos resistencias de carga se montan sobre una tira de radiador de aluminio que tiene unas medidas de 23 centímetros de largo y 10 centímetros de ancho. Este radiador es plano por el lado donde se fijan las resistencias de carga. Al comenzar el montaje del prototipo solamente se disponían de tres trozos de radiador en lugar de una tira de una pieza, por lo que, estos tres trozos se unieron mediante una chapa de aluminio de 23 x 10 cm. Al montar las resistencias de carga sobre el disipador se dará una capa de silicona térmica, tal como se puede ver en la figura número dos. En la figura número tres se pueden ver las resistencias de carga sobre la chapa de aluminio utilizada en el prototipo. La figura número cuatro nos muestra las cargas sobre el disipador.

La forma de este disipador no es crítica, solamente es necesario que tenga un lado plano para el montaje de las dos resistencias de carga. A continuación fijaremos el disipador sobre la placa base, mediante un trozo de ángulo de aluminio. La figura número cinco nos muestra el disipador con las resistencias de carga sujeto sobre la placa base.

Seguidamente atornillaremos el ventilador sobre la base utilizando dos trozos de ángulo de aluminio de 15x15x1, tal como podemos ver en la figura número seis. La situación del disipador y del ventilador no es crítica. Solamente es preciso dejar un espacio para la fijación del circuito impreso del termostato, que tiene unas dimensiones de 88 milímetros de largo por 55 milímetros de ancho.

Antes de continuar con el mecanizado deberemos construir el circuito del termostato. Los componentes necesarios para su montaje son los siguientes:

R1 1K
R2 NTC 4K7
R3 5K6
R4 5K6
R5 100K
R6 6K8
R7 820
R8 1K
R9 4 ohm 100W
R10 4 ohm 100W
C1 100 µF/16V
C2 100nF
C3 100nF
C4 10 µF/16V
C5 1000 µF/16V
D1 Zener 2V7
D2 LED verde
D3 1N4148
D4 LED rojo
VR1 2K2 ajustable
Q1 BD135
RL1 Relé
T1 12V 0,2A
V1 Ventilador 220V
U1 LM741
U2 7812
SW1 Interruptor
F1 Fusible 1A
P1 Conector de red
P2 Bananas hembra
P3 Bananas hembra
BR1 Puente rectificador
10 TERMINALES

Para la construcción del termostato utilizaremos el circuito impreso cuyo diseño se puede ver en la figura número siete. La situación de los diversos componentes se pueden ver en la figura número ocho. Comenzaremos soldando las resistencias, condensadores, diodos y demás componentes. Para el circuito integrado U1, LM741, se ha dispuesto un zócalo para evitar su deterioro durante la soldadura.

A continuación construiremos el soporte para la resistencia NTC encargada de tomar la temperatura de la carga para, en caso necesario, poner en funcionamiento el ventilador. Para ello utilizaremos un soporte construido con un trozo de tubo de aluminio de unos 20 milímetros de longitud y un diámetro interno de unos 5 - 6 milímetros, suficientes para alojar en su interior la resistencia NTC. Con el tornillo de banco aplastaremos un extremo del tubo en una longitud de unos 10 milímetros y en la zona aplastada haremos un taladro con una broca de 3 - 4 milímetros. Doblaremos la zona aplastada para que uno de los laterales quede lo más plano posible. Si es necesario pasaremos una lima plana para igualar esta superficie.

Rellenaremos el interior del tubo que no ha quedado aplastado, con pasta de silicona conductora del calor, de la que se utiliza para impregnar transistores de potencia y facilitar la disipación del calor. Introduciremos la resistencia NTC a la que previamente habremos protegido sus terminales con unos trozos de macarrón aislante, y eliminaremos el sobrante de pasta de silicona. Finalmente cerraremos el conjunto con un trozo de cartulina, por ejemplo de una tarjeta de visita, que pegaremos con loctite o cualquier otro pegamento similar. Una vez seco el pegamento, recortaremos el sobrante de cartulina, con lo que la sonda queda preparada para su fijación sobre el disipador de calor. En la figura número nueve podemos ver los componentes de un soporte y una NTC preparada para su colocación.

La sujeción de la placa de circuito impreso a la placa base se realiza mediante unos separadores metálicos. En la figura número diez se puede ver el circuito impreso del termostato colocado a la derecha del ventilador, así como la NTC atornillada entre las dos resistencias de carga.

Seguidamente prepararemos dos trozos de chapa de aluminio de 2 milímetros de grueso. Un trozo tiene unas dimensiones de 9 x 9 centímetros para la sujeción del conector de entrada de red, interruptor, fusible y diodos LED. La otra chapa tiene unas medidas de 8 x 7 centímetros donde irán colocadas las dos bananas dobles correspondientes a las resistencias de carga. En la figura número once se puede ve la chapa que comprende el conector de entrada de red, interruptor, fusible y diodos LED. En la figura número doce tenemos la chapa que sujeta las dos bananas dobles correspondientes a las resistencias de carga. En la figura número trece podemos ver la disposición de los distintos elementos antes del cableado. En la figura número catorce podemos ver un detalle del cableado del termostato, mientras que en la figura número quince tenemos el detalle del cableado de las dos resistencias de carga.

4.- COMPROBACIÓN.

Una vez terminado el montaje de la carga procederemos a su comprobación. Con un polímetro preferiblemente digital, mediremos la resistencia en las bananas de conexión. Esta resistencia debe corresponder a los 4,7 ohmios nominales. Conectaremos una fuente de 12 voltios a una de estas bananas. La intensidad de la corriente consumida se acercará a los 3 amperios. Al cabo de uno o dos minutos comprobaremos que la resistencia se va calentando. Actuaremos sobre el potenciómetro ajustable VR1 para que el ventilador se ponga en funcionamiento cuando la temperatura alcance un valor moderado. Al desconectar la fuente de 12 voltios la resistencia se enfriará y al cabo de un cierto tiempo el ventilador se detendrá.

Si todas las pruebas son correctas construiremos una rejilla de protección para la carga. Esta rejilla se ha construido con chapa de aluminio perforada que se encuentra en ferreterías y establecimientos dedicados al bricolage. Es una chapa muy fina, con un grueso de 0,4 - 0,5 milímetros, que se corta fácilmente con unas tijeras un poco fuertes y se dobla también con gran facilidad. La sujeción de esta rejilla sobre los ángulos de la placa base la haremos con tornillos autorrosca.

En la figura número dieciséis podemos ver la carga con la rejilla por el lado correspondiente a las bananas de conexión. En la figura número diecisiete podemos ver el lateral correspondiente a la entrada de red.

5.- COMPROBACIÓN DE UN AMPLIFICADOR.

Una vez terminada la construcción de la carga podemos realizar la comprobación de una etapa de potencia. Los fabricantes suelen dar las cifras de potencia máxima en vatios RMS (Root Mean Square) que son los vatios reales, aunque otras veces dan algunas cifras que pueden llevar a confusión. Existen unas normas DIN para la medida de potencia de los amplificadores, donde se habla de potencia de pico, potencia musical y otros conceptos en los que no profundizaremos. Lo que realmente nos interesa es la potencia real que puede entregar un amplificador. Esto depende no solamente de la construcción del amplificador, sino también de la capacidad de la fuente para alimentar la etapa de potencia en los momentos en que esta solicita de la fuente un pico de corriente.

Para efectuar la prueba se ha tomado una etapa de potencia que se vende montada en los comercios de electrónica y cuyo fabricante indica que puede suministrar una potencia de 100 vatios RMS. Conectamos el amplificador a la carga y en su entrada aplicamos una señal de 1000 Hz procedente de un generador de B.F. También conectamos un osciloscopio en la salida del amplificador para controlar el punto a partir del cual el amplificador comienza a recortar la señal. En este punto tomamos el valor de la tensión eficaz sobre la resistencia de carga y mediante la correspondiente fórmula calculamos la potencia real.

En el amplificador bajo prueba hemos medido la tensión de alimentación sin señal de entrada y nos da un valor de + 50 voltios y - 50 voltios. Cuando el amplificador está entregando la máxima potencia sin distorsión, la tensión de alimentación baja a + 40 y - 40 voltios, lo que quiere decir que la fuente no regula bien la tensión de salida, lo cual es normal ya que se trata simplemente de un transformador, rectificador y filtro.

En la figura número dieciocho tenemos el montaje sin señal de entrada. La tensión de salida indicada en el osciloscopio es nula y la tensión de alimentación sobrepasa ligeramente los 50 voltios. En la figura número diecinueve tenemos el amplificador excitado con una señal de audio suficiente como para que empiece a recortar la señal de salida. En estas condiciones, la tensión de alimentación desciende a 40 voltios debido al consumo del amplificador. La señal de salida tiene una amplitud pico-a-pico de 40 voltios, como podemos observar en la figura número veinte. Podemos calcular la tensión eficaz mediante la siguiente fórmula.

La tensión eficaz es igual a la tensión pico-a-pico dividido por dos veces la raiz cuadrada de 2. Realizando el cálculo obtenemos una tensión eficaz de 14,14 voltios.

Conociendo la tensión eficaz y la resistencia de carga podemos calcular la potencia eficaz mediante la siguiente fórmula.

La potencia es igual al cuadrado de la tensión dividido por la resistencia. En nuestro caso, la tensión eficaz es de 14,14 voltios y la resistencia de carga es de 4,7 ohmios. Realizando el cálculo correspondiente obtenemos una potencia eficaz de 42,55 vatios.

6.- RESUMEN.

En el presente artículo se propone la construcción de una carga resistiva para la prueba de amplificadores de potencia de baja frecuencia. Tiene una potencia nominal continua de 100 vatios por canal aunque se puede emplear con mayores niveles de potencia durante cortos espacios de tiempo. Así mismo se describe el procedimiento para calcular la potencia eficaz de una etapa de potencia.

Si se desea, se pueden conectar en paralelo con cada una de las resistencias de 4,7 ohm otra de 27 ohm y una disipación de 25 vatios. De esta manera la resistencia total es exactamente el valor normalizado de 4 ohm. En el momento de realizar las fotografías no se disponía de las resistencias de 27 ohm 25 vatios para conectar en paralelo con las de 4,7 ohm. Estas resistencias se adquirieron posteriormente y por eso no aparecen en las fotografías. Si se utilizan solamente las resistencias de 4,7 ohm los resultados serán bastante aproximados.

El montaje descrito en el presente artículo no ha sido probado en grandes series y, por tanto, no se tiene certeza de que su funcionamiento sea 100% correcto. Solamente se describe la construcción y el funcionamiento del prototipo.

El autor no se hace responsable de posibles derechos de copia. La información para la realización de este montaje procede de diversas publicaciones, libros, revistas, etc., así cómo de los propios conocimientos del autor.

El autor no se hace responsable de posibles daños y/o perjuicios causados por la construcción y/o uso de este dispositivo, daños personales o muerte, daños a la propiedad, daños al medio ambiente, lucro cesante, perdida total o parcial de datos informáticos o cualquier tipo de daño que se pudiera derivar del montaje y/o uso de este dispositivo.

No se aconseja el uso de este dispositivo en aplicaciones críticas, cómo son control de maquinaria peligrosa, control de navegación o tráfico, maquinaria de mantenimiento de vida o sistemas cuyo mal funcionamiento pueda provocar causas o efectos anteriormente mencionados. Este dispositivo no es tolerante a fallos.

El autor declina cualquier responsabilidad, ni se hace responsable de no mencionar a los dueños de las posibles patentes que aquí se pudieran reflejar.

El dispositivo descrito en el presente artículo es un montaje experimental, cuyo propósito es el estudio de los diferentes aspectos de la Electrónica, por tanto, no está destinado a su utilización industrial ni para su explotación comercial en cualquiera de sus facetas.

El autor no efectúa ninguna actividad comercial relacionada con este u otros montajes publicados en esta u otras revistas o publicaciones de cualquier tipo.

El presente artículo y todos los publicados hasta el momento en la revista "RADIOAFICIONADOS", están recopilados en un DVD a disposición de quien lo solicite. Se incluyen todos los textos, así como las fotografías, dibujos, gráficos, plantillas de circuitos impresos, etc.

Aunque se ha intentado proporcionar todos los detalles necesarios para la realización del proyecto, es posible que algún aspecto no haya quedado suficientemente desarrollado. Como es natural, con mucho gusto el autor dará cumplida información sobre cualquier detalle no especificado, o cualquier punto en particular que no haya quedado completamente explicado. Buena suerte a todos.

Luis Sánchez Pérez. EA4-NH

Apartado 421, 45080 - TOLEDO

E-mail : ea4nh@ure.es

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