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INTRODUCCINEn el presente artculo se describen los fundamentos

bsicos de los amplificadores de potencia para audio.Estos conceptos se aplican en el diseo y construccinde un amplificador de potencia. Por emplear compo-nentes bsicos y no hacer uso de ningn circuito inte-grado puede ser considerado como un buen amplifica-dor didctico donde se visualizan los fundamentosbsicos de la amplificacin de audio.

Tambin se comenta el diseo y construccin del cir-cuito impreso usando el ORCAD. El montaje se ha rea-lizado obteniendo muy buenos resultados a niveles te-ricos, experimentales y didcticos.

EVOLUCIN DE LOS AMPLIFICADORESDE POTENCIA

Una vez realizada la amplificacin de tensin es nece-sario actuar sobre el medio acstico para producir la sen-sacin sonora. El elemento donde se produce la conver-sin de las variaciones elctricas en variaciones depresin es el altavoz. Si se quiere producir una gran varia-

cin acstica es necesario disponer de altavoces con ungran cono y para mover este cono es necesario que circu-le una elevada corriente. Se consigue con una etapa final.La etapa final amplifica corriente y no tensin. La etapade potencia es una etapa amplificadora de corriente.

La primera aproximacin es intentar conseguirlo conun amplificador en clase A con transistores. La primeradificultad es adaptar la baja impedancia del altavoz conla necesaria en el colector del transistor. Suele ser alrede-dor de 1.000 . Se utiliza un trasformador para adaptarlas impedancias. El esquema se muestra en la figura 1.

Figura 1. Amplificador en clase A con transformador

101Autores cientfico-tcnicos y acadmicos

Antonio Blanco [email protected]

Francisco Hortelano [email protected]

Diseo y construccin deun amplificador didctico

de potencia para audio

Diseo y construccin deun amplificador didctico

de potencia para audio

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En un transformador se tiene:

Siendo n la relacin de transformacin.

Como el transformador tiene un rendimiento supe-rior al 90%, se puede considerar ideal y la potencia delprimario es prcticamente igual a la potencia en elsecundario:

P1 = P2

Y como la potencia es:

Potencia para cargas resistivas. El altavoz se conside-ra una carga resistiva o se adapta mediante la red deZobel.

Mediante la ley de Ohm se obtiene:

Haciendo operaciones se obtiene:

Z1 representa la impedancia transferida al primariode Z2. Si Z2 es la impedancia del altavoz resulta:

El amplificador tiene dos rectas de carga distintas. Larecta de carga esttica y dinmica. Se disea para que

trabaje en clase A en rgimen dinmico, resultando unacorriente en el punto de funcionamiento:

La potencia disipada en el transistor es el doble res-pecto a la disipada en el altavoz. El rendimiento es del50%. Siempre est conduciendo el transistor, incluso enausencia de seal de entrada. Adems, el transformadorno tiene una respuesta lineal y se pueden presentar dis-torsiones

Por todas estas causas este tipo de amplificador noes recomendable. No se usa y dio paso a otra configu-racin. Es el amplificador en clase B.

AMPLIFICADOR EN CLASE B

El amplificador en clase B o en contrafase con trans-formador se dise para solucionar los problemas quepresentaba la amplificacin de potencia para audio enclase A. El esquema bsico es:

Figura 2. Amplificador en contrafase en clase B

La seal de entrada Ve llega a un transformadorcon toma media en el secundario. Se obtiene unaseal con toma media respecto a masa. Para un semi-ciclo la polarizacin hace que entre en conduccin Q1y se corte Q2. Al siguiente semiciclo, conduce Q2 y secorta Q1. La salida de ambos colectores va al prima-rio de otro transformador con toma media conectadaal positivo de la fuente de alimentacin. En la salidade este transformador se obtiene sobre la carga o alta-

voz, la seal reconstruida y adaptada a la impedanciade ste.

La ventaja de este amplificador reside en el alto ren-dimiento (78%) y en la ausencia de consumo sin sealen la entrada. El principal inconveniente es la distorsinde cruce. Esta se produce al estar los transistores encorte. Para que entren en conduccin es necesario supe-rar la barrera de potencial de los diodos. Es necesarioque entre base y emisor se tengan aproximadamente0.7 V. Como la polarizacin viene determinada por lapropia seal, aparece una distorsin denominada dis-torsin de cruce.

Cada transistor, en reposo est en corte:

Diseo y construccin de un amplificador didctico de potencia para audio

102 Autores cientfico-tcnicos y acadmicos

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Figura 3. Funcionamiento en clase B

El diseo se realiza partiendo de la potencia desea-da. Suponiendo carga resistiva en el altavoz, por serdespreciable el efecto inductivo o por estar compensado

por la red de Zobel, se tiene:

PL = V * I

Siendo V e I la tensin y la corriente eficaz en el alta-voz.

Como I = V / RL haciendo operaciones resulta:

Y despejando Vcc:

Siendo Vcc la tensin de la fuente de alimentacin.Est en funcin de la potencia deseada, de la impedan-cia del altavoz y de la relacin de transformacin.

La potencia suministrada por la fuente es:

La potencia disipada en cada transistor es:

El principal inconveniente de este circuito es la dis-torsin de cruce. La unin base emisor no est polariza-da y es la propia seal la encargada de polarizar dichasuniones. Si los transistores estuvieran ya conduciendo,este problema no se presentara. Es lo que se consigueen el diseo en clase AB.

AMPLIFICADORES DE POTENCIA

EN CONTRAFASE SIN

TRANSFORMADOR DE SALIDAUtilizando un transistor NPN y otro PNP no hace

falta el transformador de salida. Se tienen los siguientesesquemas:

Figura 4. Amplificador de potencia sin transformadorcon alimentacin simtrica

Figura 5. Amplificador de potencia sin transformadorcon alimentacin simple

En el circuito de la figura 5 cada transistor conducedurante un semiciclo. En el de la figura 6 tambin.Cuando Q1 est en corte, la energa almacenada en elcondensador C1 permite la conduccin de Q2.



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El funcionamiento tambin es en clase B. Para solu-cionar el problema de la distorsin de cruce se diseanen clase AB.

AMPLIFICADOR EN CLASE AB

Este tipo de amplificadores funcionan bsicamentecomo los amplificadores en clase B, excepto en el que seinyecta una pequea corriente de polarizacin para queya estn conduciendo previamente a la llegada de laseal. No se disean en clase A. Se disean casi encorte, pero sin llegar a estar en ese estado. De esta

forma se consigue eliminar la distorsin de cruce.

Figura 6. Funcionamiento en c lase AB

La principal dificultad es conseguir la estabilidad delpunto de funcionamiento. Se debe garantizar que lostransistores no entrarn en corte. La mejor solucin esrecurrir al espejo de corriente.

El espejo de corriente se basa en la conexin en

paralelo de dos diodos iguales. Si son iguales y tienen lamisma curva caracterstica, por los dos diodos circula lamisma corriente puesto que los puntos de funciona-miento son idnticos. Para una misma tensin nodo-ctodo en los dos diodos se tiene una misma corrienteen cada uno de ellos.

Si el diodo y el transistor son de silicio se puedenconsiderar iguales la tensin en extremos del diodo y latensin entre base y emisor. En el siguiente esquema, lacorriente que circula por el diodo es la misma que circu-la por la unin base emisor. Es decir:

Figura 7. Espejo de corriente

Si la corrienteIo que circula por la resistenciaR per-mite despreciar la que se deriva por la base, la corrien-te que circule por el diodo ser prcticamenteIo. Esto se

puede considerar si se cumple:

La corriente de colector es:

Para evitar problemas trmicos se coloca en seriecon el emisor una resistencia de potencia de 0.47

Estos conceptos se emplean en el diseo del siguien-te amplificador de potencia en clase AB:

Figura 8. Amplificador de potencia en clase ABpor espejo de corriente



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El transistor Q1 polarizado por R1 y R2 se compor-ta como una fuente de corriente:

La corriente Ic en rgimen esttico es constante. Lacorriente por los diodos D1 y D2 tambin lo es. La pola-rizacin de los transistores queda garantizada al estar losdiodos en paralelo con las uniones base emisor.

Para alterna, los diodos se comportan como unaresistencia dinmica por estar polarizados en el primercuadrante. Las bases para alterna estn unidas. Paraminimizar las diferencias puede conectarse entre ambasun condensador.

En reposo, la tensin continua en extremos de lacarga debe ser 0 voltios. Se ajustar retocando ligera-mente la resistencia R4 o la resistencia R3.

Si se introduce una seal variable en la entrada, Q1la amplifica. A la salida de Q1, Q2 amplifica el semipe-riodo positivo y Q3 el negativo. En el altavoz, RL, setiene la seal reconstruida.

Para conseguir que los transistores de potencia pue-dan ser del mismo tipo, se recurre a la configuracin consimetra complementaria y Darlington. En la siguientefigura se puede observar esta configuracin.

Figura 9. Amplificador de potencia en clase AB porespejo de corriente y simetra complementaria.

Se aade otro diodo, para compensar otra uninbase emisor en la configuracin del espejo de corriente.

Los transistores finales son de potencia. La de

estos transistores suele ser de 20. La del resto de lostransistores suele ser de 100.

LA RED DE ZOBEL

La red de Zobel es una red compuesta por una resis-tencia y un condensador en paralelo con el altavoz dise-ada para compensar el efecto inductivo de ste. Elesquema es:

Ra representa la resistencia del altavoz. Suele ser 8. La representa la inductancia del altavoz.

Figura 10. Red de Zobel

Para que todo el conjunto equivalga a una impedan-cia ohmica de valor igual a Ra se deben cumplir doscondiciones:

Se justifica a partir de:

Haciendo operaciones, se obtienen los valores indi-cados.



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Figura 11. Amplificador didctico de potencia

Valores prcticos son:

R = 8

C = 42 nF a 100 nF

Con todo lo expuesto, se puede disear ya el ampli-ficador didctico de potencia.

AMPLIFICADOR DIDCTICO DE POTENCIASe va a disear un amplificador de potencia para

audio, en contrafase y funcionando en clase AB. Se haelegido una potencia de 30 W y una pequea etapaamplificadora compuesta por un transistor. La frecuen-cia inferior de corte se elige de 20 Hz. El esquema quese va a justificar es el indicado en la figura 11:

El diseo parte de la potencia requerida y de laimpedancia del altavoz. Se disea de derecha a izquier-da. Suponiendo una potencia de 30 W sobre un altavozde 8 el primer paso consiste en calcular la tensin dealimentacin.

Clculo de la fuente de alimentacin

Como por ser carga resistiva

Adems,

resulta:

VL representa el valor eficaz. Al estar alimentado elamplificador con alimentacin simtrica, la mxima des-

viacin de la tensin en la carga es Vcc. Resulta:

Sustituyendo:

Despejando Vcc,



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Y sustituyendo valores:

La fuente de alimentacin debe suministrar una ten-sin simtrica de 22 voltios.

La corriente mxima que debe suministrar cadafuente es:

Caractersticas de los transistores

Los transistores Q5 y Q6 tienen las siguientes carac-tersticas:

Son transistores de potencia. La se toma de 20

Caractersticas de las resistencias R9 y R11Las resistencias R9 y R11 se eligen de 0.47. Al ser

de potencia, es necesario calcular la potencia disipada:

R9 y R11 son resistencias de 0,47 y con unacapacidad de disipacin superior a 3.55 W.

Caractersticas de los transistores Q3 y Q4Q4 es un transistor NPN en configuracin darlington

junto con Q6. Q3 es un transistor PNP en configuracindarlington complementario junto con Q5.

Q4 y Q5 equivalen a un transistor NPN de

Q3 y Q5 equivalen a un transistor PNP de

Los transistores de potencia tienen una aproxima-da de 20. Por ejemplo se elige el 2N3055.

Para Q4 se elige un transistor de 100. Por ejemploel 2N2222A. Para Q5, un transistor PNP de 100, porejemplo el 2N2905.

Clculo de R8Para calcular R8 se necesita saber la corriente y la

diferencia de potencial en extremos. En reposo, la ten-sin en RL es 0V. Despreciando la cada de tensin en laresistencia de 0.47, la tensin en la base de Q4 es 1.4V

El valor mximo de la corriente por la base es:

Se toma para R4 una corriente ligeramente superiorpara garantizar que los diodos y el transistor Q2 siempreestn conduciendo. Por ejemplo 5 mA

R8 = 4120

Clculo de C4C4 garantiza la unin elctrica de las bases de los

transistores para alterna. Se puede realizar un clculoaproximado para obtener el valor del mismo. No es cr-tico su eleccin.

Sustituyendo:

C4= 530 F



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Eleccin de los diodos D1, D2 y D3

La corriente que circula por los diodos es pequea,

5mA. Sirve cualquier diodo de seales, como por ejem-plo el 1N4148.

Eleccin de Q2

Q2 es un transistor que funciona con una corriente yuna tensin reducida. Cualquier transistor de sealessirve para esta aplicacin. Se elige el transistor NPN2N2222A de = 100.

Clculo de R7R7 debe calcularse de forma que permita el correcto

funcionamiento del transistor Q2 para cualquier varia-cin de la seal de entrada. Se elige una cada de ten-sin Vcc /10, es decir 2.2 V.

R7= 440

Clculo de R5

Se elige una corriente por R5 y R6 superior a la dela base. La corriente por la base de Q2 es:

Se toma una corriente de 1 mA. De esta forma sepuede despreciar la de base.

R5 = 2900

Clculo de R6

La corriente es de 1 mA. La diferencia de potencialen extremos es:

La resistencia,

R6 = 41100

Eleccin de Q1Q1 es un transistor de seal. Se puede elegir perfec-

tamente el 2N2222A

Clculo de R3 y R4Se elige una corriente de colector de 10 mA, un

punto de funcionamiento en clase A y una tensin deemisor de 2.2 V. A partir de estos datos se disean lasresistencias:

R3 = 220

En el colector de Q1 se tiene la siguiente tensin:

La resistencia R4:

R4 = 880

La ganancia de la etapa es:

Suponiendo que se est trabajando a una frecuenciasuperior a la de corte.

La impedancia de entrada de la siguiente etapa es:

Ze2 = 2553



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pues rd2 = 25 mV / 5 mA = 5

rd1 se calcula de igual forma:

rd1 = 25 mV / 10 mA = 2.5

Calculando R4 // Ze2 se obtiene:

R4 // Ze2 = 654

La ganancia es:

A = 9 dB

La ganancia Av es:

Av = 654 / 222.5 = 2.9Siendo Av = V2 / V1 o funcin de transferencia.

Clculo de C3C3 se calcula a partir de la siguiente expresin:

Se elige uno superior. Por ejemplo uno de 10 F

C3 = 10 F

Clculo de R1 y R2La corriente por la base de Q1 es Ib1 = Ic / 100 =

0.1 mA

Se toma una corriente por R2 diez veces superiorpara poder hacer aproximaciones:

Io = 1 mA

La tensin en la base de Q1 es:Vb1 = Ve1 + Vbe1 = 2.2 + 0.7 = 2.9 V

R1 = 2.9 / 1mA = 2900

R1 = 2900

R2 se calcula a partir de:

R2 = 19100

Clculo de la impedancia de entradaLa impedancia de entrada del amplificador se calcu-

la a partir de la siguiente expresin:

Ze = 1092

Clculo de C1El clculo de C1 se realiza a partir de la impedancia

de entrada y de la frecuencia inferior de corte:

Se toma uno de 10 F

C1 = 10 F

SIMULACIN DEL AMPLIFICADOR.RESPUESTA TEMPORAL

La simulacin se ha realizado con Pspice. Los resul-tados obtenidos para una seal de entrada de 500mVson:

Figura 12. Respuesta temporal

No se puede alcanzar la potencia deseada debido alas limitaciones impuestas por R7 y R8 que afectan afuncionamiento de Q2 y debido tambin a que se handespreciado las prdidas en las resistencias de 0.47 .Para solucionarlo, solamente es necesario aumentar latensin de las fuentes de alimentacin y comprobar losresultados mediante simulacin. Finalmente se consigue



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la potencia deseada alimentando el amplificador condos fuentes de alimentacin de 35 V. Es necesario ajus-tar la resistencia R7 para conseguir 0 voltios en extremosdel altavoz. Se consigue con un valor de 468 . Esta

resistencia es crtica y sera conveniente sustituirla porun potencimetro multivuelta.

Figura 13. Seal en extremos del altavozuna vez ajustado el amplificador.

Antes de modificar las tensiones de alimentacin sesimula el circuito. Las tensiones obtenidas son:

Figura 14. Tensiones continuas en el amplificadoralimentado a 22V

Las corrientes continuas en el amplificador son:

Figura 15. Corrientes continuas en el amplificadoralimentado a 22V

Con el ajuste de tensiones de la fuente de alimenta-cin y el ajuste de la resistencia R7 se tienen los siguien-tes valores de tensiones y corrientes:

Figura 16. Tensiones continuas en el amplificadoralimentado a 35V y con R7 ajustada a 468 W

Figura 17. Corrientes continuas en el amplificadoralimentado a 35V y con R7 ajustada a 468 W

Las variaciones de las corrientes de polarizacin noafectan al circuito. Las variaciones de las tensiones de ali-mentacin tampoco. El circuito se ha ajustado al valor depotencia requerido, minimizando las prdidas generadasen los componentes.

El nico cambio a realizar es la fuente de alimenta-cin. Esta debe ser una fuente simtrica de 35V.

SIMULADOR DEL AMPLIFICADOR.

RESPUESTA FRECUENCIAL

La respuesta frecuencial del amplificador es eldiagrama de Bode. La simulacin da el siguienteresultado:



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Figura 18. Respuesta frecuencial del amplificador

Se puede observar una respuesta plana a partir dela frecuencia de corte. La frecuencia de corte es de 9Hz. A mejorado y ha descendido de los 20Hz requeri-dos al elegir condensadores de una capacidad superiora la calculada.

SIMULADOR DEL AMPLIFICADOR.ANLISIS ESPECTRAL

Se obtiene a partir de la transformada de Fourier. Elresultado obtenido se muestra a continuacin:

Figura 19. Anlisis espectral

Se puede observar como la fundamental tiene unaamplitud de 12V y el resto de los armnicos tienenamplitudes inferiores a los 96mV. Presenta una buenadefinicin de la seal de entrada amplificada.

REALIZACIN DE LA PLACADE CIRCUITO IMPRESO

Para obtener el montaje completo del amplificadorhemos utilizado el programa de diseo Orcad en su ver-

sin 9.00. Este programa nos permite la captura deesquemas (Orcad Capture) con el que realizamos elesquema elctrico del circuito. Para ello se dispone de

varios cientos de componentes electrnicos agrupados

en distintas libreras de las que podemos hacer uso paracolocar en el esquema los componentes necesarios.

El programa permite crear componentes nuevos queno estn inicialmente en las libreras suministradas con el.De esta manera si queremos colocar un componente deuna forma determinada en el esquema, y ste no loencontramos en ninguna librera de las que vienen con elprograma, resulta sumamente fcil crear uno nuevo conla forma y terminales que se desee. Adems, podremosincorporar dicho componente nuevo creado por nosotrosen alguna de las libreras ya existentes o, si lo deseamos,

podemos crear una nueva librera donde guardarlo.Una vez realizado el esquema elctrico del circuito, el

programa Orcad permite anotar los componentes, esdecir, numerar sus referencias, con objeto de que noexistan dos resistencias o transistores numerados deigual forma (debe ser por ejemplo R1, R2, R3, etc.).Esto es importante pues, al realizar la placa de circuitoimpreso, no debe haber dos componentes con la mismareferencia o el programa dar error.

Cuando hayamos realizado el esquema y referencia-do correctamente los componentes del mismo debere-

mos realizar el chequeo elctrico . La herramienta dechequeo es muy til y con ella el programa puede detec-tar errores de conexiones y avisarnos de ello para quesean corregidos si ha lugar a ello.

Finalmente, se ha de indicar para cada componentedel esquema cul es el encapsulado que le correspondecon objeto de saber cules son las medidas y las distan-cias fsicas que tiene cada componente en la realidad.

Lo que se consigue al final de todo el proceso ante-rior es un fichero de lista de conexiones que ser utiliza-do por otro de las utilidades del programa Orcad y que

no es otra que la utilidad Orcad Layout.

Orcad Layout se encargar de utilizar el fichero deconexiones creado con Orcad Capture para obtener laspistas del circuito impreso correspondiente.

A continuacin se explica como se ha realizado laplaca de circuito impreso del amplificador didctico uti-lizando las utilidades de Orcad Capture y Orcad Layoutmencionadas anteriormente.

Este proceso no pretende ser un curso completoacerca de la utilizacin del programa sino una explica-



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cin algo detallada para que cualquier lector pueda des-arrollar alguna placa de circuito impreso por sus propiosmedios.

ABRIENDO Y PREPARANDO EL PROGRAMA

Al abrir el programa Orcad Capture nos encontramoscon el tpico programa windows y sus barras de mens yherramientas correspondientes. Para iniciar la realizacindel esquema File - New - Project. Se abrir una ven-tana y nos pedir el nombre del proyecto. Indicaremosque deseamos obtener finalmente un circuito impreso(PC Board Wizard). Indicaremos tambin el nombre dela carpeta donde se guardar el proyecto.

Se nos preguntar si deseamos aadir simulacin(para obtener slo el circuito impreso no es necesario).

A continuacin se abrir otra ventana para indicarnos sideseamos aadir alguna librera de las que trae el pro-grama (si lo desea, puede aadir alguna pero no esnecesario).

Veremos como aparece la ventana de dibujo deesquemas que nos ofrece el programa para dibujar. A laderecha de la ventana de dibujo est la barra de herra-mientas de diseo de esquemas en la que aparecen

varios botones para colocar componentes, cables, unio-nes, buses, terminales de alimentacin, de masa, ascomo algunas utilidades para dibujar lneas, rectngu-los, crculos o texto.

COLOCANDO COMPONENTESEN EL ESQUEMA

Para comenzar a dibujar el esquema puede usar elbotn de Place part que sirve para localizar y colocarcomponentes en el esquema. Si lo presiona se le abriruna ventana donde le pedir el nombre del componen-te que desea colocar. Si sabe el nombre completo (porejemplo 1N4148) slo pngalo en la casilla Name yaparecer debajo. Entonces deber seleccionarlo ypodr ver su dibujo. Si es el componente que se deseasolo acptelo y aparecer en el esquema.

A veces no se conoce el nombre completo del com-ponente o slo se sabe parte de su denominacin (porejemplo, slo 157 del 74LS157). Si es as, escriba *157*en el apartado nombre y despus pdale al programaque lo busque con el botn Part Search. Si Orcad dis-

pone en alguna de sus libreras de ese componente se lohar saber y lo podr visualizar y colocar en el esquema.

De la manera explicada anteriormente puede buscar y

colocar todos los componentes que necesite para la reali-zacin del esquema.

A veces (bastantes) no existe el componente que senecesita ya sea porque Orcad no lo trae con sus librer-as o, sencillamente, porque es moderno y no exista ensu momento (o existe y no hay forma de encontrarlo enlas libreras). En ese caso, debemos crearlo nosotros locual es muy sencillo.

CREANDO COMPONENTES NUEVOSEn la realizacin del esquema del amplificador didc-

tico se han empleado varios componentes que no figura-ban en las libreras de Orcad tales como las resistencias,los condensadores electrolticos, y los conectores deregleta para circuito impreso. Estos han sido creados pornosotros mismos utilizando la facilidad que nos brindaOrcad para la creacin de componentes nuevos.

Si en algn momento del diseo del esquema sedesea crear algn componente nuevo slo tiene queseguir los siguientes pasos:

En el programa ver que hay una pequea ventanasituada a la izquierda de la de dibujo de esquemas. En ellaaparecen un rbol de directorios perteneciente al proyectoque se est realizando. Se ve una carpeta llamada DesignResources, otra con extensin .dsn (carpeta de diseo). Siabrimos la carpeta con extensin .dsn aparecen otras dosllamadas Schematic1 y Design Cach. La que nece-sitamos para crear componentes nuevos es la siguientecarpeta que aparece y que lleva por nombre Library.

Si pulsamos el signo + de la carpeta library nos apa-recen los nombres de las libreras del propio Orcad queestn aadidas a esta carpeta. Es muy importante saberque si creamos algn componente nuevo, este debecrearse en alguna carpeta de las que aparezca en estalista. Si una librera no aparece en la lista podemos aa-dirla muy fcilmente a ella sin ms que pulsar con elbotn derecho sobre la carpeta Library. Aparecerque aadamos una librera Add File. Debemos saberque las libreras de componentes de Orcad se encuen-tran en C:\Program Files\Orcad\Capture\Library\

Cuando creamos un componente nuevo podemosguardarlo en cualquiera de las libreras de Orcad as que,



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en principio, podemos aadir la librera que queramos delas que figuran. Por ejemplo, si deseamos crear una resis-tencia rectangular la podemos aadir a la librera Discre-te.olb (las libreras de Orcad llevan la extensin .olb). El

condensador electroltico tambin podramos guardarlo enesa librera.

Para comenzar por tanto a crear el componentenuevo asegrese que aparece la librera elegida anterior-mente en el directorio Library.

Ahora, site el cursor sobre la librera aadida a lacarpeta Library y, con el botn derecho, elegir NewPart. Se abre una ventana nueva de propiedades delcomponente que vamos a crear.

Pngale un nombre al componente en Name y

en el apartado Part Reference pngale un prefijo a sucomponente (por ejemplo R para resistencia C paracondensador). Deje el resto de apartados como estn.Cuando haya hecho lo anterior se le abrir una ven-tana nueva donde tendr que dibujar el componenteque desea crear.

En principio aparece una zona de 5x5 espacios cua-drada en la que se puede dibujar. Fjese como en el ttu-lo de la ventana aparece el nombre de la librera en laque esta trabajando y el nombre que se le ha dado alcomponente. A la derecha de la pantalla se ve la barrade herramientas de las que dispone para dibujar el com-ponente. Algunas de ellas son: Place pin, Place line,Place Polyline, Place rectangle, Place ellipse, Place arc yPace text. Con ellas se construir el nuevo componente.

Primero estire el cuadrado de trabajo con el ratnhasta que sea suficientemente grande (o pequeo) paraque contenga al componente.

Tenga en cuenta que un componente debe tenersiempre terminales (que son los pines) y cuerpo (formao dibujo). Adems, cada terminal deber tener un nom-bre y un nmero de pin. Lo primero siempre es colocarlos terminales o pines. En el caso de la resistencia rec-tangular que queremos hacer, sta tendr dos pines.Para colocar un pin pulsar el botn de la barra de herra-mientas llamado place pin. Se abrir entonces una

ventana de edicin para indicar las caractersticas de esepin.

Indicar el nombre que tendr ese pin (no omitirlo oel componente no ser valido) en Name y el nmero delpin. En el caso de que se est editando un circuito inte-grado cada pin que coloquemos en el componentedeber coincidir con el nmero que le corresponda enel circuito integrado correspondiente. Si, por el contra-

rio, estamos creando una resistencia o un condensadoro cualquier otro componente podemos poner en Num-ber el que deseemos (sin repetirse por supuesto).

El apartado Shape se refiere a la forma de ese ter-minal o sea, dot, clock (activo con flanco de subida dereloj), dot clock (activo con flanco de bajada de reloj),short (corto), line (normal), o longitud cero (zerolength).

El apartado type del pin se refiere a si ste es deentrada, salida, bidireccional o triestado. Hay que ele-gir el que corresponda (si no se conoce el tipo de ter-minal conviene ponerle passive).Una vez terminado deeditar el pin aceptar y colocarlo en su lugar. Y as unay otra vez hasta que todos los terminales estn coloca-

dos.Cuando los terminales estn editados slo falta dibu-

jar la forma externa del componente (el tringulo de undiodo, el emisor de un transistor, etc). Para ello, utiliza-remos los botones de la barra de herramientas de laderecha como line, poliline, ellipse (para crculos y elip-ses) y el resto. Para finalizar la edicin del componentese cierra la ventana y responder que s a la pregunta desalvar cambios.

Con ello habremos creado nuestro componente queestar listo para ser usado en el esquema.

REALIZACIN DEL ESQUEMA COMPLETOCon los componentes que vienen diseados con el

programa y con los creados por el usuario podremos yadibujar el esquema completo de nuestro amplificador.

Para conectar los terminales de los distintos com-ponentes del esquema usaremos el botn de Place

wire (colocar cable) de la bar ra de herramientas de la

derecha.

Hay que fijarse bien cuando est terminado elesquema y veremos que cada componente posee unareferencia (por ejemplo R1 o C7 o U5) y, adems vere-mos que posee tambin un value (valor). La referen-cia puede aparecer numerada (por ejemplo R3) o conun interrogante (R?). Si aparece con el interrogantedeberemos proceder a su numeracin (manual condoble clic sobre el componente. Aparecer la ventanaProperty Editor y en la casilla Reference podemosasignarle el nmero de orden que deseemos).



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ANOTACIN AUTOMTICAPara evitar la repeticin de dos referencias (por

ejemplo R5 y R5) es preferible utilizar la anotacin auto-mtica que posee el programa. Con ello ser imposibleque dos componentes tengan la misma referencia. Parausar dicha anotacin slo hay que resaltar en la venta-na de directorios la carpeta con extensin .dsn. Veremosentonces habilitados en la barra de herramientas supe-rior varios botones, entre ellos el de anotacin (botnU?). Si lo pulsamos se abre una ventana de anotacinen la que podemos resetear todas las referencias (poner-las todas en ?), o indicarle que las numere incondicio-nalmente (las numerar automticamente). Si se haceas, todas las referencias del esquema quedarn anota-

das y no habr ninguna repeticin.

CHEQUEO ELECTRICO DEL ESQUEMAUna vez realizada la anotacin de referencias con

xito es recomendable proceder a un chequeo de lasreglas elctricas de dibujo. Orcad tiene sus propiasreglas de diseo de esquemas, y si no se cumple algu-na de ellas, no podr realizar la placa de circuito impre-so deseada.

Para realizar el chequeo elctrico slo hay que resal-tar otra vez la carpeta con extensin .dsn y en la barrade botones superior pulsar la tecla que aparece comoDRC (marcado). Conviene activar todas las opcionesdel apartado Report. Despus aceptar y se procedera comprobar si el esquema realizado cumple las normasque Orcad impone para continuar. Si apareciese algnerror se nos informar de cul es y deberemos procedera su correccin.

Los errores que normalmente aparecen son del tipode pines incorrectos o conexiones fuera de sitio pero

normalmente son fcilmente subsanables.

COLOCACIN DE ENCAPSULADOS OFOOTPRINTS DE CADA COMPONENTE

Slo nos falta ahora indicarle al programa el nombredel encapsulado que utilizar cada componente (no esigual de grande una resistencia de de watio que unade 1 watio).

Para ver los nombres de los encapsulados de quedispone Orcad debemos cambiar ahora de Orcad ypasar del Orcad Capture de esquemas al Orcad Layoutde diseo de circuitos impresos. Para ello, de la misma

forma que se entr al programa Orcad Capture debe-mos entrar ahora al Orcad Layout Plus.

Al abrirlo veremos en la barra de ttulo que estamosahora en Layout Plus. (recuerde que no puede realizaran la placa de circuito impreso porque no se han colo-cado en Orcad Capture los encapsulados).

Para ver los encapsulados de los que dispone Orcadelegir Tools - Library Manager . Se abrir el gestor delibreras donde se ven algunas libreras de encapsulados(tienen extensin .llb). Si seleccionamos alguna librera

(por ejemplo la DIP100T) aparecern debajo los encap-sulados (footprints) que contiene la misma. Si seleccio-namos ahora algn footprint ste aparecer en la venta-na de edicin de footprints. Si alguno de losencapsulados que aparecen en estas listas de footprintses vlido para alguno de los componentes de nuestroesquema slo debemos copiar su nombre (exacto) paraluego volver al Orcad Capture y ponerlo en el lugarcorrespondiente.

El lugar en el que se coloca el nombre del footprintcorrespondiente a cada componente del esquema deconexiones realizado con Orcad Capture lo indicaremos

al acabar este apartado.

CREACIN DE UN NUEVO ENCAPSULADOSi tiene todos los encapsulados que se necesitan

para asignarlos a los componentes del esquema reali-zado con Orcad Capture, y stos se encuentran en laslibreras de Orcad Layout, se puede pasar directamen-te a su asignacin en el esquema elctrico. Pero si no

es as, y necesita crear uno nuevo se puede hacer muyfcilmente.

Normalmente todos o casi todos los encapsuladosde los componentes electrnicos fabricados hoy en datienen sus terminales fsicos separados en distancias queson un mltiplo de la dcima de pulgada.

As por ejemplo, los pines de un circuito integradodel tipo dual in line estn separados entre s una dcimade pulgada. Incluso, terminales de condensadores radia-les o rels tambien separan sus pines en mltiplos dedcima de pulgada.



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Para crear un nuevo encapsulado es imprescindibleconocer como es ste fsicamente y conocer su anchura,longitud, distancia entre pines, etc. Una vez conocidostodos esas medidas Orcad Layout nos permite realizar el

encapsulado correspondiente y utilizarlo para nuestrasplacas de circuito impreso.

Si se abre el gestor de libreras de Orcad Layoutcomo se indic anteriormente y, por ejemplo, selecciona-mos la librera DIP100T (que corresponde a footprints decircuitos integrados) podemos seleccionar por ejemplo elencapsulado de nombre DIP.100/14/W.300/L.700 que setrata de un footprint para un c.i. de 14 pines.

Al observar atentamente el footprint vemos los pinesdel integrado redondos de color azul y numerados.

Todos los pines de un footprint deben ir numerados.Adems la numeracin de estos pines debe correspon-derse con la situacin real de los terminales en el com-ponente fsico. As por ejemplo, consideremos un tran-sistor cuyos terminales fuesen colector, base y emisor.

Cuando hemos seleccionado el componente transis-tor del esquema hemos visto que sus terminales estnnumerados tambin y al colector le corresponde unnmero, a la base otro y al emisor otro distinto. Puesbien, cuando realizamos un footprint o encapsuladonuevo, debemos colocar los terminales o pines en ellugar y a la distancia que realmente tienen fsicamente.

Si se pretende por tanto crear un footprint (encapsu-lado) nuevo se debern seguir los siguientes pasos:

Con el gestor de librerias (Library Manager) abiertoen pantalla pulsar el botn Create New Footprint

Se nos pide el nombre que queremos darle y las uni-dades de creacin. Ponemos nombre y en unidadesdejamos las English ya que Orcad trabaja mejor conunidades anglosajonas (pulgadas).

Entonces aparecera el nuevo componente pero slo

con un terminal (el nmero 1) y con unos nombres pordefecto en pantalla. Ahora debemos aadirle los termi-nales que le faltan al componente. Asumiendo queconocemos las medidas y distancias del mismo sloaadiremos los siguientes pines.

Antes de ello vamos a la barra de mens y elegimosOptions - System Settings para fijar las unidades detrabajo. Elegir unidades en mils (100 mils es igual auna dcima de pulgada que es la distancia entre dospines de un c.i. dual in line). Elegir tambin en Visiblegrid en 50 y en Place grid en 50.

Para colocar el pin 2 (el 1 ya viene de principio) pul-sar el botn derecho y elegir New. En ese momento apa-recer el pin 2. Segn las distancias colocarlo en el lugaradecuado y a la distancia correcta.

CARACTERSTICAS DE UN PINEn principio, cuando colocamos un terminal o pin

en un footprint este sale con medidas predeterminadasque pueden no ser las correctas. No es lo mismo unpequeo pin para la patilla de un transistor que otropara, por ejemplo, el terminal de un rel. As pues,debemos elegir un tamao adecuado para esos pinesque estamos colocando a nuestro encapsulado.

Para cambiar el pin predeterminado que pone elprograma por otro, podemos hacer doble clic sobre elpin y veremos como se abre una ventana de edicin depad (pad es el terminal fsico). Si desplegamos con laflecha en el apartado Padstack Name apareceran multi-tud de pines diferentes y con distintas medidas. As porejemplo, si elegimos el pad 70R50 estamos ante un pinredondo (R) cuyo dimetro total es de 70 mils (recuer-de que 100 mils son unos 2,54 mm) y cuyo dimetro detaladrado ser de 50 mils.

Repitiendo el proceso puede asignar los terminalesdel footprint hasta conseguir los deseados.

REALIZACIN DEL CUERPODE DIBUJO DEL FOOTPRINT

Una vez colocados los pines del encapsulado sedebe dibujar el contorno del footprint y, de esa manera,podremos obtener ms tarde la serigrafa de los compo-nentes sobre la placa. Para dibujar el dibujo del compo-nente pulsaremos el botn Obstacle tool que aparece enla barra de herramientas superior. Al hacerlo y colocarluego el cursor sobre la ventana de edicin del footprint

veremos que ste cambia de forma a una + grande.Entonces con el botn derecho elegir New. El cursorcambia de nuevo a signo + pequeo. Nuevamentebotn derecho y elegir Properties para elegir las propie-dades del obstculo que vamos a dibujar (el dibujo delcomponente se considera un obstculo en Orcad).

En Obstacle type elegir Detail y en Obstacle layerelegir la cara SSTOP . Dibujar as el contorno y detalles



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del componente. Si se desea dibujar algn circulo o arcoelegir arc despus de las propiedades.

Existe tambin la posibilidad de dibujar un obstcu-

lo de tipo Place Outline y que corresponde con la lneaverde que engloba a todo el componente y que sepuede ver en los footprints que vienen con Orcad. Serelizan igual que el de tipo Detail slo que ste es de tipoPlace Outline y se hace en la cara (Obstacle Layer) Glo-bal Layer.

Una vez terminado el nuevo footprint podemosguardarlo en la librera actual (Save) o en otra distinta(Save as) o incluso una creada por nosotros con los pro-cedimientos habituales de windows.

COLOCAR LOS NOMBRES DEFOOTPRINTS EN EL ESQUEMA

Una vez obtenidos todos los footprints necesariospara realizar la placa hay que volver al programa OrcadCapture y visualizar el esquema que ya tenamos termi-nado y al que slo le faltaba incluir los nombres de losencapsulados correspondientes.

Una vez lo tenga visualizado en pantalla ir al men

Edit - Select All . Eso seleccionar todos los compo-nentes del esquema que cambiarn su color a rosa.

Ahora con el botn derecho elegir Edit Properties y apa-recer la ventana del editor de propiedades de los com-ponentes. Elegir entonces la pestaa de la parte inferiorllamada Parts y ver aparecer una columna llamadaPCB Footprint. Es en esa columna donde se deberescribir el nombre exacto del encapsulado o footprint decada componente del esquema. En esa misma ventanase ven los nombres y referencias que posee cada com-ponente del esquema lo que ayudar a su localizacin.

Al terminar el proceso cierre la ventana.

OBTENCIN DEL FICHERODE CONEXIONES (NETLIST)

El fichero de conexiones, comnmente llamadonetlist, es el fichero que necesitar el programa OrcadLayout para obtener la placa de circuito impreso. Paraobtener este fichero slo hay que resaltar en la ventanade directorios la carpeta con extensin .dsn (como se

hizo para la anotacin y el chequeo elctrico). Entoncespulsar el botn de la barra de herramientas llamadoCreate Netlist. Se abrir la ventana Create Netlist y en laparte superior elegir la pestaa Layout.

Seleccionar Run ECO to Layout y tambin User pro-perties in inches. Entonces se crear un fichero conextensin .MNL que ser el que se utilice para crear laplaca de c.i.

CREACIN DE LA PLACADE CIRCUITO IMPRESO

Con el fichero de conexiones vamos ahora al pro-grama Orcad Layout de nuevo. Desde la pantalla dedibujo vaca ir al men File - New. Se abrir la venta-na Load Template File. Ah elegir el fichero por defectoque nos dice el programa. Entonces se abrir otra ven-tana que nos pide el fichero de lista de conexiones (conextensin .mnl). Escribiremos el nombre que le dimos anuestro fichero de conexiones.

A continuacin nos pide el nombre con el que que-remos salvar la placa de circuito impreso que vamos arealizar. La placa tendr por extensin .max.

Despus el programa se pondr a buscar todos losfootprints correspondientes a nuestra placa y aparece-rn, aunque descolocados, en pantalla. Si Orcadencuentra algn error al intentar poner los footprints enpantalla lo advertir y deberemos solucionarlo con lasherramientas adecuadas. Normalmente los errores mscomunes consisten en que un footprint tiene ms omenos terminales que el smbolo elctrico del esquemao de tipo parecido.

Si todo ha ido bien veremos como Orcad ha coloca-do todos los footprints en la placa aunque estarn desco-locados como se podr apreciar. Para colocar los compo-nentes en el lugar que queramos slo tenemos que pulsaren la barra de herramientas la tecla Component (condibujo de circuito integrado). Si selecciona ahora algncomponente se podr mover por la pantalla y colocarloen el sitio elegido. Puede que al intentar colocar el com-ponente en la placa aparezca el mensaje Unable to

verify..... Para evitar que se produzca este error slo des-active el botn de la barra de herramientas Online DRC.

Si se desea hacer un zoom fcilmente se puede pul-sar la tecla I mayscula (para aumentar) o la O (paradisminuir).



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Una vez colocados los componentes en su lugardibujaremos la lnea de borde de placa que no es otracosa que una lnea de tipo obstculo . Para ello seleccio-nar otra vez de la barra de herramientas el botn Obs-

tacle Tool, despus con el botn derecho New y final-mente Properties . Se abrir la ventana de edicin deobstculo. Escriba en Obstacle Type el tipo Board Outli-ne (lnea de borde de placa) y en el apartado ObstacleLayer poner Global Layer . Aceptar y despus hacer clicen el lugar dnde se desee comenzar la lnea. Haciendosucesivamente clic en cada esquina de la placa tal ycomo deseemos terminaremos de realizar la lnea deborde de placa.

Antes de realizar las pistas tenemos que indicarle alprograma que realice solamente pistas por la cara de

pistas pues Orcad es capaz de hacer circuitos impresosde simple y doble cara (y ms caras). Adems le indica-remos cual debe ser la anchura de las pistas porque laanchura predeterminada que inicialmente utiliza el pro-grama puede resultar demasiado fina.

Para indicarle al programa que utilice slo la cara depistas seleccionamos el botn de la barra de herramien-tas llamado View Spreadsheet y despus Layers. Conello se abrir la ventana de edicin de caras de trabajodonde veremos las caras Top (componentes) Bottom(pistas) y otras ms. En este caso nos interesa slo rea-

lizar pistas por la cara de soldadura y a una sola cara.Debemos entonces deshabilitar las caras por las que nonos interesa realizar pistas. Para ello (para deshabilitar)hacer doble clic en la casilla correspondiente de lacolumna Layer Type. Por ejemplo, para deshabilitar elruteado por la cara Top (componentes) hacemos dobleclic en la casilla correspondiente y veremos como seabre la ventana Edit Layer. Seleccionar el radio botnUnused Routing y esa cara quedar deshabilitada.

Por ltimo, nos queda indicarle al programa laanchura de las pistas y esto lo hacemos eligiendo nue-

vamente el botn de la barra de herramientas View

Spreadsheet pero ahora, en vez de Layers, elegiremosNets (conexiones). Se abrir la ventana de ttulo Netsdonde vemos la columna Width, min, con y max. Hace-mos doble clic en el ttulo de esa columna editamos enlos tres apartados Min Width, Conn Width y Max Widthla anchura en mils que deseemos (recuerde que 100mils son 2,54mm). Por ejemplo, si queremos una anchu-ra de 1mm de pista sern aproximadamente 40 mils.

Antes de proceder al ruteado final del circuito hayuna ltima operacin que deberamos hacer. Iremos almen Options Global Spacing y veremos una ven-

tana de edicin de distanciado en el que se puede indi-car al programa las distancias mnimas entre pistas(Track to Track), entre pista y terminal (Track to Pad),entre pista y Via, etc.

Por fin, podemos realizar las pistas del circuito impre-so de forma automticamente. Para ello Ir a la barra demens y elegir Auto Autoroute Board. Laspistas comenzaran a trazarse automticamente. Comose ha elegido solamente la cara de soldadura (llamadaBottom) veremos que las pistas se realizan de color rojo.Si alguna pista de las trazadas es de otro color es que nohemos deshabilitado alguna de las dems caras. Pararentonces el proceso con la tecla escape y volver al botnView Spreadsheet Layers para deshabilitar la nece-saria.

Si el programa no es capaz de realizar todas las pis-tas del circuito y se deja alguna por ejecutar podemosborrarlas todas desde el men Auto Unroute Board. Entonces se proceder a cambiar de sitio algunode los componentes del circuito impreso para que noobstaculice el trazado de alguna pista y volveremos atrazar de nuevo.

MODIFICAR PISTAS TRAZADASSi han sido trazadas todas las pistas todava pode-

mos manipular manualmente dicho trazado para quequede ms esttico o ms a nuestro gusto. Para ellohacemos clic en el botn de la barra de herramientas lla-mado Edit Segment Mode y veremos como se puedemodificar cada pista haciendo clic sobre ella.

EL AMPLIFICADOR DIDCTICO DE 30WCon todas las operaciones detalladas anteriormente

hemos conseguido los siguientes resultados. El circuitoimpreso finalizado con el Programa Orcad nos ha que-dado como se muestra en la figura 20.

Las pistas del circuito impreso completo se puedenver e imprimir desde el men con Options PostProcess Settings y botn derecho en la casilla Bot de lacolumna Plot Output File Name y despus Preview.Desde ah se puede imprimir en una impresora para rea-lizarlo fsicamente con el procedimiento que se desee.En nuestro amplificador las pistas quedaron como seobserva en la figura 21.



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Figura 20. Presentacin de orcad de las pistasdel circuito impreso

La cara que aparece arriba est espejeada. Esto quie-re decir que lo que se ve es la cara de pistas pero vistacomo si la cara de componentes fuese transparente. Paraobtener las pistas tal y como se ven en realidad (sin espe-

jear) slo elegir en el men Options Post processSettings. Despus hacer doble clic en la casilla BOT de lacolumna Plot Output File Name y se abrir la ventana dePost Process Settings. Activar la casilla Mirror y, en elapartado Output Format activar la casilla Print Manager Force Black & White y Print / Plot To File; con estohemos preparado el fichero de impresin. Pulsar OKpara volver a la ventana Post Process.

Figura 21. Circuito impreso

Finalmente y con el botn derecho sobre la casillaBOT elegir Plot to Print Manager y Aceptar. Obtendre-mos la cara de pistas real (sin espejear).

El esquema realizado con Orcad segn todos lospuntos explicados qued como se ve a continuacin:



Figura 22. Esquema utilizado por Orcad para confeccionar el circuito impreso

ESQUEMA ELCTRICO COMPLETO

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LISTA DE COMPONENTES

R1........................... 3K9 W

R2............................ 0,5 ohms. Bobinada 5W

R3............................ 39 K W

R4............................ 1 K W

R5............................ 18 K W

R6............................ 2K7 W

R7............................ 220 ohms W

R8............................ 2K7 W

R9............................ 220 ohms W

R10.......................... 0,5 ohms. Bobinada 5W

C1............................ 100 nF

C2............................ 470 uF 50 V.

C3............................ 2,2 uF 50 V.

C4............................ 35 uF 50 V.

C6............................ 100 nF

U1............................ 1000 uF 50 V.

U2............................ Diodo 1N4148U3............................ Diodo 1N4148

U4............................ Regleta de c.i. 3 pin.

U5............................ Diodo 1N4148


U7............................ 1000 uF 50 V.


Q1............................ Transistor NPN 2N 2222A.

Q2............................ Transistor NPN 2N 3055

Q3............................ Transistor PNP BC557

Q4............................ Transistor NPN 2N 2222A

Q5............................ Transistor NPN 2N 2222A

Q6............................ Transistor NPN 2N 3055

El prototipo del amplificador con los radiadores paralos transistores de potencia 2N 3055 puede verse en lafigura 23:

Figura 23. Prototipo del amplificador

El amplificador con los radiadores para los transisto-res de potencia 2N 3055 puede verse en la figurasiguiente:

Figura 24. Amplificador didctico de 30 W

Las conexiones y verificaciones:

Figura 25. Conexiones y comprobaciones



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