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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARIBE

AMPLIFICADOR DE AUDIO DE 60W Facultad De Ingeniería Programa De Ingeniería Mecatrónica Iván Hernández, Jefferson Olmos, Danilo Rojas Resumen En este documento encontrará un informe detallado sobre los avances que hemos desarrollado para la elaboración del amplificador de audio de 60W y la descripción de cada una de las etapas de éste, especificando que elementos se usaran y esquemas de los mismos. Abstract This document provides a detailed report on the progress we have developed for the preparation of the audio amplifier of 60W and description of each of the stages of this, specifying which elements were used and the same schemes.

1. INTRODUCCIÓN El amplificador de audio de 60W es un sistema de potencia, que está conformado por una etapa de pre-amplificación de señal de entrada, una etapa de control de tonos, otra etapa de potencia y un parlante de 4Ω. Además en este informe podrá ver el funcionamiento de cada etapa del amplificador de audio, junto con los esquemas y componentes que se implementaran para la realización del proyecto. 2. AMPLIFICADOR DE AUDIO En general, un amplificador es un circuito que permite aumentar el nivel, ya sea de la corriente o del voltaje, de alguna señal eléctrica. En la actualidad existen una gran variedad de amplificadores lo cuales son utilizados para aplicaciones especificas, entre los distintos tipos se encuentran los de audio, los de señal de televisión, los de potencia utilizados para controlar motores, etc. Basándonos en la definición descrita en el párrafo anterior sobre un amplificador, se puede definir que un Figura 1. Amplificador de Audio. amplificador de audio viene siendo un dispositivo que toma una señal de entrada (audio frecuencias) y aumenta el nivel de está, incrementando para ello la amplitud de dicha señal mediante corrientes de polarización en el transistor de salida.


2.1 ETAPAS Básicamente un amplificador de audio está conformado por una etapa preamplificadora, un regulador de tono, una etapa de potencia y una etapa de alimentación. Ver figura 3.

Figura 2. Diagrama Etapas del Amplificador de Audio.


2.2 DIAGRAMA TOP-DOWN Amplificador De Audio De 60 W

1

2

Fuente De Alimentación

Entrada De Audio

8 Adaptación Señal De Señal 9 Amplificador Inversor 5

7

Rectificación De La Señal

Regulación De La Señal 6 Filtración De La Señal

3

4

Regulación De Altos y Bajos

Etapa De Potencia

16

10 Adaptación Señal Del Micrófono

Control De Volumen

11 Amplificador Inversor 12 Filtro Pasa Bajas

13 Filtro Butterworth de -40dB Figura 3. Diseño Top-Down.

14 Filtro Pasa Altas

15 Filtro Butterworth de 40dB

17 Amplificación Señal 60 W

18 Disipador


2.3 ETAPA PREAMPLIFICADORA 2.3.1 Diagrama, PCB y Foto El diagrama del circuito es el que se presenta a continuación:


2.3.2 Funcionamiento En el caso de los micrófonos la señal que entregan estos, tienen niveles de corriente y voltaje muy bajos. Por lo tanto no se pueden conectar directamente a circuitos amplificadores ni a parlantes. Para solucionar este problema se utilizan los circuitos preamplificadores los cuales pueden aceptar señales de entrada de muy bajo nivel y amplificarlas hasta valores adecuados para ser introducidos en un amplificador de potencia. Los amplificadores también son utilizados con otras fuentes de señales como tocadiscos, reproductores de CD’s, sintonizadores de AM y FM. El circuito consta de dos etapas, en donde una de estas, se encarga de amplificar la señal proveniente de un micrófono electret y la otra la señal ya sea de un MP3, un MP4 o un celular. 2.3.3 Amplificador de Micrófono 2.3.3.1 Funcionamiento Este circuito preamplificador está diseñado para amplificar la señal de un micrófono electret. En el circuito encontramos un potenciómetro (R6) el cual nos sirve para justar el nivel de amplificación, en otras palabras la ganancia del amplificador, al valor deseado. Normalmente la salida de un preamplificador esta en el orden de 1V, mientras que su entrada, es decir, el micrófono, es del orden de los milivoltios. Se utilizara el amplificador operacional TL082 debido a que presenta una muy buena respuesta en frecuencia y estabilidad a temperaturas altas. Este amplificador es el de mejor prestaciones de los amplificadores de uso general, ya que posee una alta impedancia de entrada, baja distorsión armónica y un alto rechazo en modo común.


Este caso el VOLT/DIV está en 1V, y como notamos la señal amplificada del micrófono alcanza los valores entre -3 y 3V.

2.3.3.2 Elementos Resistencias -1 de 10KΩ -2 de 5.1KΩ -1 de 56KΩ -1 de 2.2KΩ Potenciómetro -1 de 1MΩ Capacitores -2 de 10uF/25V electrolítico -1 de 20pF cerámico Semiconductores -1 TL082 2.3.4 Amplificador de MP o Celular 2.3.4.1 Funcionamiento El circuito posee una entrada de señal la cual se hace pasar por un amplificador inversor con ganancia de 100 para llevar la intensidad de la señal de entrada al valor que se desea. Además este circuito posee en su entrada un potenciómetro (R10) que sirve para limitar o reducir el nivel de voltaje de la señal de entrada. Se utilizo un amplificador inversor debido a que a la salida del control de tonos se utilizara un amplificador sumador inversor, con lo que al final tendremos la señal de entrada amplificada pero no invertida.


Para el cálculo de la ganancia se tuvo en cuenta que la función de transferencia de nuestro amplificado inversor viene dada por:

A partir de la ganancia deseada y tomando a despejándolo de la ecuación anterior.

se pudo calcular

,

La ganancia de 100 se hizo necesaria ya que durante las pruebas realizadas, se determino que la salida de un MP4 estaba entre -0.4 y 0.4V, lo cual pude ser observado en las siguientes imágenes:

En ambos casos al VOLT/DIV está a 0.2Va señal de salida con la ganancia de 100. se puede observar en las siguientes imágenes:


En ambos casos el VOLT/DIV está en 1V, con lo cual se puede notar que la señal del MP4 fue amplificado. 2.3.4.2 Elementos Resistencias -1 de 10KΩ -1 de 100Ω Potenciómetro -1 de 10KΩ Semiconductores -1 TL082 2.3.5 Inconvenientes Durante la realización de las pruebas e implementaciones de los preamplificadores, no se tuvo en cuenta de que no se podían conectar las dos salidas de los preamplificadores (MP y micrófono) directamente a la entrada del regulador de tonos, por tanto, se vio la necesidad de implementar un circuito sumador no inversor el cual nos permitió realizar el debido acople de las dos señales entre esta etapa y la del regulador de tonos. 2.3.5.1 Diagrama, PCB y Foto


2.3.5.2 Elementos Resistencias -4 de 10KΩ Semiconductores -1 TL082 2.3.5.3 Funcionamiento Un sumador no inversor, es una configuración típica de amplificadores operacionales el cual permite tomar las señales de entrada y sumarlas algebraicamente sin invertir la polaridad de estas. Teniendo en cuenta la función de transferencia de un sumador no inversor:

Se puede comprobar lo anteriormente descrito respecto a la señal de salida de nuestro sumador no inversor, que es la suma algebraica de las dos señales no invertidas. 2.4 ETAPA CONTROL DE TONOS 2.4.1 Diagrama, PCB y Foto El diagrama del circuito es el que se presenta a continuación:



2.4.2 Funcionamiento El oído humano puede percibir sonidos que están comprendidos en la banda de 20 a 20KHz. Dentro de esa gama, puede haber componentes o frecuencias que son agradables para algunas personas, pero molestas para otras. La idea de un control de tonos es que el usuario pueda ajustar la señal de audio según sus preferencias. El control de tonos posee dos bandas de trabajo, una para las frecuencias altas y otra para las frecuencias bajas. Este circuito será utilizado como etapa intermedia entre la fuente de audio y el amplificador de potencia. El circuito es conformado por un par de filtros, un pasa bajos y un pasa altos, dos seguidores de tensión y un sumador inversor.

2.4.3 Filtro Pasa Bajos 2.4.3.1 Funcionamiento Un filtro pasa bajos, es un filtro que permite el paso de las frecuencias bajas y atenúa las frecuencias altas. Estas frecuencias están determinadas por la frecuencia de corte del filtro, donde todas las frecuencias inferiores a la frecuencia de corte serán consideradas bajas y las mayores altas. El filtro cuenta con una frecuencia de corte de 2.5KHz; este rango se tomo para incluir las frecuencias medias que van de aproximadamente 1KHz a 3KHz dentro de las frecuencias bajas. Además posee una atenuación de 40dB. Para el diseño del filtro se siguieron los siguientes pasos: a- Se elige la frecuencia de corte deseada:

b- Se selecciona el capacitor

c- Se calcula el capacitor

d- Se halla el valor de :

:

a utilizar:


e- Se calcula el valor de

:

2.4.3.2 Inconvenientes Al momento de implementar el filtro pasa bajos se encontró el inconveniente de que en el comercio no se conseguían las resistencias exactas, por ende se procedió a cambiar los valores como se sigue: y . Con lo que la frecuencia de corte varía a:

2.4.3.4 Elementos Resistencias -2 de 470Ω -1 de 910Ω Condensadores - 1 de 0.1uF - 1 de 0.2uF Semiconductores -1 TL084 2.4.4 Filtro Pasa Altos 2.4.4.1 Funcionamiento Un filtro pasa altos, es un filtro que permite el paso de las frecuencias altas y atenúa las frecuencias bajas. Estas frecuencias están determinadas por la frecuencia de corte del filtro, donde todas las frecuencias inferiores a la frecuencia de corte serán consideradas bajas y las mayores altas.


El filtro cuenta con una frecuencia de corte de 2.5KHz, es decir, que la función de este filtro es permitir el paso de las frecuencias mayores a 2.5KHz. Además posee una atenuación de 40dB. Para el diseño del filtro se siguieron los siguientes pasos: a- Se elige la frecuencia de corte deseada:

b- Se seleccionan los capacitores a utilizar:

c- Se halla el valor de

d- Se calcula el valor de

:

:

2.4.4.2 Inconvenientes Al momento de implementar el filtro pasa altas se encontró el inconveniente de que en el comercio no se conseguían las resistencias exactas, por ende se procedió a cambiar los valores como se sigue: y . Con lo que la frecuencia de corte varía a:

2.4.4.3 Elementos Resistencias -1 de 470Ω -2 de 910Ω Condensadores - 2 de 0.1uF


Semiconductores -1 TL084

2.4.5 Seguidor De Tensión 2.4.5.1 Funcionamiento Un seguidor de tensión es una configuración típica que se puede realizar mediante amplificadores operacionales el cual tiene como función tomar el voltaje de entrada y ponerlo a la salida. Esta configuración se utiliza para asegurar que haya un buen acople de impedancias entre los diferentes circuitos. Teniendo en cuenta la función de transferencia de un seguidor de tensión:

Se puede comprobar lo anteriormente descrito. El circuito constara con dos seguidores de tensión, uno para cada filtro, además estos poseen en la entrada cada uno, un potenciómetro el cual tiene la función de regular el nivel de voltaje que entra a los seguidores de tensión. 2.4.5.2 Elementos Potenciómetro - 2 de 10KΩ Semiconductores - 1 TL084 2.4.6 Sumador Inversor 2.4.6.1 Funcionamiento El sumador inversor, es una configuración típica que se puede realizar mediante amplificadores operacionales el cual permite tomar varias señales y sumarlas de tal manera que la salida del amplificador es la suma algebraica de todos los voltajes de entrada. El sumador puede ser configurado para que posea ganancia o no, dependiendo si se desea amplificar o el resultado de la suma. Teniendo en cuenta la función de transferencia de un sumador inversor:


2.4.6.2 Elementos Resistencias - 3 de 10KΩ Semiconductores - 1 TL082

2.4.7 Pruebas Las pruebas realizadas al control de tonos consistieron en introducir una señal de entrada cuyo valor de voltaje es fijo y observar como era su voltaje de salida para comprobar el correcto funcionamiento de los filtros. De la toma de muestras realizadas se obtuvieron los siguientes datos: Prueba 1 2 3 4 5 6 7

Frecuencia 235 Hz 772 Hz 1506 Hz 2396 Hz 4205 Hz 10013 Hz 20524 Hz

V Entrada 2V 2V 2V 2V 2V 2V 2V

Para las imágenes el VOLT/DIV es de 1V. Voltaje de entrada:

Acción De Bajos 2V 1.9V 1.6V 1.4V 0.6V 0.2V 0V

Acción de altos 0V 0.3V 0.8V 1.1V 1.5V 1.7V 1.8V


Prueba N°1 (273 Hz)

Acción de bajos

Acción de altos


Acción de bajos

Acción de altos


Acción de bajos

Acción de altos



Acción de bajos

Acción de altos


Acción de bajos

Acción de altos


Acción de bajos

Acción de altos



Acción de bajos

Acción de altos

2.5 ETAPA DE POTENCIA 2.5.1 Diagrama, PCB y Foto El diagrama del circuito es el que se presenta a continuación:


2.5.2 Funcionamiento Un amplificador de potencias es un componente cuya función es aumentar el nivel de una señal. En un sistema de sonido es el último componente activo en la cadena, ubicado justo antes de la instalación de los parlantes. En nuestra etapa de potencia se utilizara un LM3886 de la Texas Instruments, el cual es capaz de entregarnos la potencia que se requiere, en nuestro caso 60W. Este circuito integrado se utiliza como amplificador no inversor con alimentación dual. Para alcanzar esta potencia se hace necesario utilizar una carga de 4Ω y alimentar el circuito con ±28V.


La señal de audio que se va a amplificar entra en una de las patillas del amplificador, cuyo nivel es controlado por el control de volumen que se encuentra en la etapa de control de tonos. Durante el diseño se tuvo en cuenta de utilizar un condensador entre las patas inversoras y no inversoras del amplificador con el objetivo de limitar ligeramente la banda pasante y prevenir que se produzcan autooscilaciones, además permite eliminar en gran medida las perturbaciones de naturaleza electromagnética procedentes de la red eléctrica. La ganancia del amplificador depende de la relación entre las resistencias R4 y R3 cuya ubicación se presentan en el diagrama; con los valores actuales que se están utilizando, la ganancia en el centro de banda es de aproximadamente 21 veces. Debido al nivel de potencia que manejara nuestro amplificador se vio la necesidad de implementar un dispositivo que nos permita reducir la temperatura o la cantidad de calor generada por esté, para ello se utilizara un disipador de calor el nos permite evitar que nuestro amplificador se caliente. 2.5.3 Elementos Resistencias -2 de 1KΩ -2 de 22KΩ -1 de 2,7Ω Potenciómetros -1 de 10KΩ Condensadores -2 de 47uF/50V electrolítico -1 de 220pF cerámico -1 de 10uF/35V tantalio -1 de 47uF/50V electrolítico -1 de 47pF cerámico -1 de 100nF Poliéster Semiconductores -LM3886 2.6 ETAPA DE ALIMENTACIÓN 2.6.1 Diagrama, PCB y Foto El diagrama del circuito es el que se presenta a continuación:



2.6.2 Funcionamiento La mayoría de los dispositivos electrónicos necesitan para su funcionamiento algún tipo de energía siendo la más común en estos, la energía eléctrica. Dicha energía puede ser captada de la red eléctrica pero antes de ser utilizada por estos dispositivos debemos tratarla, con el objetivo de llevarla los niveles adecuados. Esto se conoce como etapa de alimentación la cual está compuesta básicamente por cuatro sub-etapas las cuales son: Transformación, rectificación, filtrado y regulación. Para la sub-etapa de transformación, nosotros vamos a utilizar un transformador que nos entregue a la salida 28V duales, debido a que ese es el nivel de voltaje que necesitamos para alimentar nuestro amplificador de potencia, el cual con una carga de 4Ω junto a este voltaje de alimentación nos entregara a los 60W, por tal motivo nosotros debemos conseguir un transformador nos entregue una determinada corriente, la cual puede ser determinada mediante el siguiente calculo:

Para la sub-tapa de rectificación se utilizara un puente rectificador de diodos el cual toma la señal de tensión alterna y la rectifica, con lo cual pasamos de una tensión senoidal a una tensión positiva de semiondas. Para la sub-etapa de filtrado se utilizaran dos capacitores de con el objetivo de aplanar la señal de entrada para que no tenga oscilaciones y reducir las interferencias que provienen de la red eléctrica. La sub-etapa de rectificación consta de unos reguladores de voltaje los cuales nos permiten mantener estable la tensión de salida para que esta no varié su valor nominal si ocurre una disminución en la señal de voltaje entrante. 2.6.3 Elementos -Un transformador de 28 duales y corriente 2A. Condensadores -2 de 4700/50V electrolíticos Semiconductores -1 LM7812 -1 LM7912


-Puente rectificador de diodos de 4A. 2.6.4 Inconvenientes Durante las pruebas e implementación de la fuente de voltaje no se tuvo en cuenta al momento de mandar a diseñar el transformador, que el voltaje AC al cuando es rectificado aumenta su valor aproximadamente , entonces como nuestra fuente de voltaje es de 28V (voltaje de operación del amplificador) este valor aumentaría finalmente a 39.59V, lo cual es muy alto con respecto a lo que se necesita. Por tal motivo se vio la necesidad de volver a diseñar el transformador de voltaje para que a la salida de este antes de que la señal sea rectificada nos entregara 20V, de tal manera que cuando esta fuera rectificada nos entregara el voltaje que necesitamos.

3. REFERENCIAS La información referente a un amplificador de audio fue obtenida de las siguientes fuentes:  

http://www.electronica2000.com/amplificadores/amplif.htm Proyectos CEKIT.

La Figura 1, fue tomada de:  http://www.taringa.net/posts/info/9852910/Sobre-el-Amplificador-deAudio.html La Figura 2, fue tomada de:  http://es.wikipedia.org/wiki/Etapa_de_potencia La Figura 3, fue de elaboración propia. La etapa preamplificador fue tomada de:  Proyectos CEKIT La etapa de control de tonos fue elaboración propia. La etapa de amplificador de potencia fue tomada de:  Revista MICRO/BIT, Etapa final de audio de hasta 60W.  Datasheet LM3886 La etapa de alimentación fue elaboración propia.

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