Algunas pautas de diseño de fuentes de alimentación para Audio
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
Ver el archivo adjunto 27024
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
Ver el archivo adjunto 27026
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.
Si se piensan que ya terminamos con la fuente van por mal camino, se están dejando tentar por “El lado oscuro”
