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Algunas pautas de diseño de fuentes de alimentación audio

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Algunas pautas de diseño de fuentes de alimentación para Audio

Este apunte no es de mi autoria
Este apunte es un intento por explicar como se calcula y lleva a la práctica una fuente de alimentación para un equipo de audio “Decente”

Como datos debemos conocer que y cuanto consume nuestra “Cosa amplificadora”, esos datos las sacarán de los datos del esquema propuesto.
Que seria el voltaje necesario y que corriente en Amperes consume a máxima potencia.

Un cálculo estimativo de la potencia necesaria seria por ejemplo: para una etapa tipo “AB” que posee un rendimiento de un 60%.
60% lo entrega a la salida y el 40% restante va a calentar la atmósfera.

Así que si queremos armar una etapa de 100 W estéreo (200 W de salida) necesitamos una fuente capaz de entregar 200 W + (200 * 0.4) = 280 W, este es un calculo “Realista” ya que en realidad la etapa posee un rendimiento inferior al propuesto, pero se compensa con que el programa musical nunca tomara de la fuente la totalidad de la potencia teórica de las etapas, aunque la etapa este trabajando a máximo no llegara a entregar los 100 W en forma continua por las propias variaciones de la música, incluso reproduciendo “Trash Metal”.

Hasta ahora sabemos que vamos a necesitar un transformador de unos 280W (Mínimo), pero si ponemos de más no importa, sin exagerar por supuesto.

En este momento necesitamos conocer el voltaje de alimentación de las etapas para completar el cálculo del transformador necesario.

El transformador se calcula (Suponiendo una fuente partida) con la formula:

Va = (Vc / 1,4142) + 1,4V

Donde
Va : Voltaje de alterna a la salida del transformador
Vc : Voltaje deseado de continua
1,4142 : Redondeo de √2
1,4 V : Caída de tensión sobre el rectificador principal

Suponiendo que necesitemos una fuente de +- 45V (90V)
Las cuentas deberían dar algo así

Va = (90 / 1,4142) + 1,4 = 63,64 + 1,4 = 65 VCA

Como la fuente es partida, esta tensión deberá poseer una derivación en su punto medio, lo que nos dará un transformador de 32,5 - 0 - 32,5 Vca.

¿Y de cuantos amperes? Hacia allá vamos.

Dijimos que necesitamos una potencia de 280W y acabamos de calcular la tensión 65V.

Aplicando el principio de Arquímedes que decía que

W = V * I

Donde:
W = Potencia
V = Tensión
I = Intensidad

W = V * I o lo que es lo mismo I = W / V nos da que necesitamos

I = 280 W / 65 V = 4,3 A

Hasta aquí tenemos el transformador, que sería de 65Vca con punto medio y una capacidad de corriente de 4,3A, pero para la fuente falta bastante.

Para el cálculo de los diodos (o puente rectificador) la primera idea seria un puente de 5 A (Mala idea)

Comentario descolgado:
¡ Pero! si mis placas consumen 4,3 A y yo le coloco un puente de 5 A, me sobran 0,7 A

Eso es lo que consumen tus placas, pero entre las placas y el rectificador van unos cositos negros (condensadores), que son los que alisan lo que entrega el rectificador estos hay que mantenerlos permanentemente en carga, sino la etapa de potencia se apaga y nos quedamos sin música.
Como esos cositos negros se cargan al mismo tiempo que por el otro lado se están descargando hacia las placas, consumen una corriente instantánea muy superior a la nominal de salida durante el pico de los semiciclos del transformador.

Aquí estoy mareado.

En un momento, el rectificador provee la corriente de funcionamiento de las placas y la corriente necesaria para reponer la carga del condensador perdida durante el tiempo en que la tensión de la onda es inferior a la tensión acumulada en el condensador.

Lo cual es mucho mayor que la corriente nominal.
Si no fuera alérgico a las formulas pondría el calculo de la corriente instantánea, pero digamos que se puede considerar como el 3 veces la corriente nominal, resumiendo necesitamos un rectificador de unos 12 A o mejor 15 A

Esta es la forma de onda que “Va” a los condensadores, como se ve presenta picos y valles, durante el segmento de “Crecimiento”, el rectificador esta soportando la re-carga del condensador además del propio consumo de las etapas amplificadoras

Algunas pautas de diseño de fuentes de alimentación audio

Y esta es la tensión sobre los condensadores, la rampa de descenso se produce durante la parte en que la tensión del transformador pasa por un valle
sonido



La altura de estas crestas y rampas son las que dan en definitiva la tensión de rizado

Y ahora tenemos un transformador de 280 W y 65 Vca con toma central y un rectificador de 12 A, lo cual todavía no sirve para nada porque a la salida del transformador-rectificador tenemos una onda con forma de ½ seno y una frecuencia de 100 o 120 Hz. (Depende del país).

Necesitamos “Filtrar” esta onda para que se asemeje lo mas posible a una tensión continua con la que alimentar nuestras placas de potencia.

Como ya se estarán imaginando, hay que hacer mas cálculos.

Para calcular el condensador de filtro se usa la formula siguiente:

C = I / ( 2 * F * Vr )

Donde:
C: Es la capacidad necesaria en Faradios
I: es la intensidad que consume la carga en Amper.
F: es la frecuencia de alimentación en Hertz
2 es un factor de corrección para la frecuencia de alimentación, la señal rectificada en Herts, en un rectificador de onda completa será 2 veces la frecuencia de línea (Por eso escribí 100 o 120 Hz).
Vr: es el voltaje de rizado admisible a la salida del filtrado.

Esta es una formula práctica, la formula real para el calculo fino de capacidad necesaria es “Insufrible”

Para nuestro caso:

Debemos calcular el consumo de corriente de cada rama, para lo cual podemos estimar que cada rama va a proveer la mitad de la potencia total, es decir 140W c/u (280W/2), sobre la tensión de esa rama (45V), es decir 140W / 45Vcc ≈ 3,12 A, con este valor ahora calcularemos la capacidad necesaria de filtrado.

Un valor de rizado muy bueno será del 3% a 5%.
Uno bueno puede llegar al 7%.
Uno regular puede llegar al 10%

En esta aplicación, vamos a tomar un valor del 4% que estaría dentro de “Muy bueno”

Aplicando la formula anterior C = I / ( 2 * F * Vr )

Donde:
Vr (Rizado admisible) = 4% de la tensión de la rama de la fuente = 45 V * (4 / 100)

I = 3,12 A
F = 50 HZ (F = 60 Hz para el resto del mundo)
Vr = 45 V * (4 / 100 %) = 1,8 V
C = 3,12 A / (2 * 50 HZ * 1,8 V )
C = I / ( 2 * F * Vr )
Aplicando los valores
C = 3,12A / (2 * 50 * 1,8V)
C = 0,01733 Faradios = 17300 uF

Posibilidad de agrupar capacitores para lograr el total necesario con valores comerciales:
2 * 10000 uF = 20000 uF
4 * 4700 uF = 18800 uF
8 * 2200 uF= 17600 uF

¿Y qué opción me conviene más de las 3 posibilidades?

En realidad lo más conveniente sería colocar 8 condensadores de 2200 uF

¿Y por que?, si da menos que el calculo, ¿Y pa´que tanto capacitore? Si con 2 de 10000 uF tengo de sobra.

Porque el circuito de un condensador “Real” es una serie formada por 3 elementos, una resistencia de muy bajo valor, una bobina también de muy bajo valor y el condensador en si (R + L + C)

El total de capacidad de un conjunto de condensadores conectados en paralelo es igual a la suma de las capacidades individuales.
Pero los componentes inductivos y resistivos no se suman de esta forma, se aplica la formulita del paralelo para estos.

Para la impedancia:
1 / L = 1/ L1 + 1 / L2 . . . . . .

Para la resistencia:
1 / R = 1 / R1 + 1/ R2 . . . . . .

Si le diéramos valores numéricos a estas 2 últimas formulas veríamos que tanto la resistencia como la inductancia disminuyen al colocarlos en paralelo.

Como bien calculo Confucio, (inventor del electrón), si coloco condensadores en paralelo (como filtros) a igual capacidad con mayor cantidad, mejor rendimiento.

Existe otra formula práctica para estimar el valor de los condensador y es la de colocar 2200uF por cada Amper de consumo, para este caso: C = 3,12 A * 2200 uF ≈ 6600 uF.

Valor que haciendo el cálculo inverso nos daría un rizado del 5% aproximadamente
Esto funciona aceptablemente para aproximaciones gruesas.

Ahora viene armar todo.

Otra pregunta descolgada
¿Y si ya tengo los valores de todo, voy a la tienda los compro, conecto el soldador y armo todo?

Negativo
Hay que seguir pensando, ahora viene la parte en que muchos meten la pata, (Se equivocan)

Existe un interesante efecto sobre todo en las fuentes de potencia que se llama “resistencia o lazo de retorno” y es la resistencia del conductor que retorna a la fuente las corrientes de alimentación, esta resistencia podría quedar en serie con las tierras de la señal de entrada produciendo una bonita realimentación positiva (Y esto es muy, muy malo).

Si NO combatimos este efecto nos puede complicar la existencia produciendo oscilaciones, realimentaciones indebidas, zumbidos e infinidad de cosas raras.

Vamos a hacer algunas cuentitas:
Suponiendo que conectamos el retorno de parlantes al punto medio de nuestra fuente con un conductor de 2,00 mm² (Que no es poco) posee una resistencia de 1,57 Ω¡ cada 100 m, suponiendo que nuestra conexión es de 10 Cm nos da una resistencia y que el mismo cable pone a tierra la entrada de audio de las placas.

R = (1,57 Ω *0.1) /100
R = 0,00157 Ω

Comentario descolgado: “pero esa resistencia es muy baja”, no molesta a nadie

Veamos si esto es así
Teníamos un amplificador de 100 W por canal (Sobre una impedancia de carga de 8 Ω)
Si tenemos que la formula de potencia es W = V * I

Donde:
W = Potencia
I = Intensidad que circula por la carga
V = Tensión sobre la carga

Y que I = V / R
Acomodamos un poco y llegamos a que W = I² / R
Si seguimos acomodando I = √ (W / R)
Si le damos valores I = √ (100 W / 8 Ω) I = 3,53 A
Donde los 8 Ω; se suponen sean del parlante

Ahora consultamos al Sr. Ohm para verificar la caída de tensión sobre nuestros 10 Cm de cable grueso (2 mm²)
V = R * I
Dando los correspondientes valores
V = 0,00157 Ω * 3,53 A
V = 0,00555, redondeando 5.5mV

Estos 5.5 mV se sumarán o restarán en forma dinámica con nuestra señal de audio produciendo toda clase de desarreglos y/o oscilaciones.

Si nuestro amplificador trabaja con una señal de entrada de 1000 mV para máxima potencia y le agregamos 5.5mV de “Ruido” indeseable a esa señal, automáticamente se convierte en una “porquería”

Y estamos hablando de 10 Cm de cable grueso, en caso de cable mas fino y/o más largo imaginen que puede llegar a resultar.
Uno de los efectos habituales de esta realimentación indeseable es el famoso BLUP!, BLUP!, BLUP!, BLUP! Que más de uno habrá escuchado en algún momento en su amplificador

Este sería el esquema de una fuente “Real” pero mal armada permitiendo que se forme una red de resistencias de retorno.
Audio


¿Y como se combate eso?

“Con prolijidad” ¡ Mira que difícil ¡

La gracia de resolver esto radica en que no exista o sea ínfima la resistencia de retorno, para lo cual se forman esquemas de retorno de convergencia a un solo punto.
Y en este punto convergen:
El punto medio del transformador.
El polo correspondiente de los condensadores de filtro.
El retorno de los parlantes.
La GND de las placas.
La GND de entrada de audio.

Esta es la misma fuente “real” pero bien armada formando una estrella con los retornos y alimentaciones.
amplificador
Un esquema mas "Realista de nuestra Fuente", con entradas y salidas incluídas
fuente audio

esta es una fuente "Real", bien armada y con componentes reales, noten como se "Armo" el punto "Estrella" y para garantizar baja resistencia se emplearon barras de cobre.

Mediante esta configuración las resistencias “Parásitas” o de “Retorno” dejan de ser importantes y no afectan a la señal de audio entrante

Este punto conviene que este aislado del chasis del equipo mediante una resistencia de bajo valor, (10 a 22 Ω ), esta resistencia se aplica para evitar que las tensiones inducidas sobre la chapa del gabinete por el transformador de potencia puedan llegar a perjudicar el funcionamiento.

Durante las pruebas del equipo se vera si la dichosa resistencia se queda o será puenteada, esto se determinara de acuerdo al mejor comportamiento, si anda bien con la resistencia se la deja, si no se la puentea.

Algunos equipos comerciales traen incorporado un conmutador que intercala o no la dichosa resistencia de acuerdo al efecto.
fuente amplificador
Otra conexión estrella, pero en una fuente doble
dise��o fuente
Y esta es una fuente "Real", bien armada y con componentes reales, noten como se "Armo" el punto "Estrella" y para garantizar baja resistencia se emplearon barras de cobre.

Otra fuente bien armada con interconexión mediante una planchuela masiva de cobre.

Y después de todo esto, ¿Como se yo que el rizado quedo de acuerdo a los cálculos?

Aquí una pregunta interesante:
¿Como medir una componente alterna montada sobre una tensión continua de valor mucho mayor que esta?

Con nuestro infaltable colaborador el multímetro.

Pero, el 99,99% de los multímetros medirán cualquier cosa si intentamos hacerlo en forma directa.

El método a aplicar consiste en intercalar entre la punta de prueba del multímetro (+) y el punto a medir un condensador de 220 o 470nF de poliéster, este artilugio solo dejara pasar al multímetro la componente alterna que es la que deseamos medir, si la fuente esta sin “Consumo” lo lógico seria que no tuviéramos medida alguna de rizado.
La tensión residual “Rizado” aparece al estar la fuente a plena carga y si todo anduvo bien el valor deberá estar próximo al que propusimos en un principio, 3% o 1,35Vca (para nuestro caso).

Este también puede ser un excelente método para verificar una fuente que ya esta funcionando o una fuente de la cual se desconfía por ser algo vieja.

Los electrolíticos tienden a envejecer y perder buena parte de sus características con el tiempo, además de ser sensibles a la humedad ambiente.

Si nuestra medición da una componente alterna del orden de 5 a 7% del valor de la fuente las cosas andan bien, si da mas, puede ser que se halla degradado algún electrolítico o simplemente que le falte filtrado, en este caso habrá que agregar algunos miles de uF y/o reemplazar electrolíticos.

Digamos BASTA al sadismo en contra de nuestras fuentes de alimetación

Tenemos armada y comprobada nuestra fuente de alimentación. Pero notamos un detalle, cuando la encendemos salta el termo-magnético y se queda la casa sin electricidad, ¿Qué hice mal?

En realidad nada.
Aplicando un poco de imaginación supongan 16 condensadores de 2200 uF que estaban tranquilamente descansando y absolutamente descargados, de repente viene un sádico que les aplica violentamente una tensión de 45 VCC y los fuerza a cargarse en pocos milisegundos.
Como reaccionan estos condensadores se enojan y simulan un cortocircuito o mas bien provocan una circulación de corriente tan intensa que parece un cortocircuito.
Esta circulación es la que provoca el salto del termo-magnético o en su defecto un bajón de tensión de línea, (las lámparas de la casa parpadean).
¿Por qué hacer las cosas así de violentas? pudiendo ser suaves y cariñosos con la fuente.

¡Me enternecí¡ ¿Y cómo hago para que no se enojen los capacitores?

Muy fácil los despierto suavemente aplicando una resistencia limitadora de la corriente de carga y una vez que llegan (Digamos) a un 85% del voltaje nominal, hago un puente sobre la resistencia limitadora para que queden funcionando en directo (Y sin sufrimiento)

Digamos algo como esto:
Al encender el equipo se aplica tensión al transformador a través de las resistencias limitadoras comensando la carga de los capacitares a una corriente relativamente baja.
Al llegar la carga a unos 41VCC el zener comienza a conducir disparando al SCR que a su vez acciona el relee CR (NA) y este a través del contacto S1 hace puente sobre las resistencias limitadoras, quedando ahora la fuente en directo y sin haber sufrido.
La tensión necesaria para el accionar del relee puede provenir de los mismos condensadores o de una pequeña fuente auxiliar.
Algunas pautas de diseño de fuentes de alimentación audio

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8 comentarios - Algunas pautas de diseño de fuentes de alimentación audio

@fran7_10
muy bueno loco, me sirvio para entender un poco el tema.
@Akosca +1
Gracias! Después lo leo bien, 10+
@capoyo +1
gracias genio!! de 10 el post
@fix3d
tas cabrón
@notnowjohn
Muy buena info!
Que no se enojen los capacitores
@KBZA_98
Exactamente lo que necesitaba!! gracias! +10