Amplificador de Audio Con Mezcladora y Eq 5 Bandas
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2010
Amplificador de audio con ecualizador grafico de 5 bandas
Dispositivos Electrónicos II
Oscar Iván Alvarado Aguirre INSTITUTO TECNOLOGICO DE SONORA 26/11/2010 Alexxandro Roman Ibarra
Diseño de un amplificador de audio de 30w a 4Ω con ecualizador grafico de 5 bandas
Introducción. Un amplificador es todo dispositivo que, mediante la utilización de energía, magnifica la amplitud de un fenómeno. Aunque el término se aplica principalmente al ámbito de los amplificadores electrónicos, también existen otros tipos de amplificadores, como los mecánicos, neumáticos, e hidráulicos, como los gatos mecánicos y los boosters usados en los frenos de potencia de los automóviles. Amplificar es agrandar la intensidad de algo, por lo general sonido. También podría ser luz o magnetismo, etc. En términos generales, "amplificador", es un aparato al que se le conecta un dispositivo de sonido y aumenta la magnitud del volumen. Se usan de manera obligada en las guitarras eléctricas, pues esas no tienen caja de resonancia, la señal se obtiene porque las cuerdas, siempre metálicas y ferrosas, vibran sobre una cápsula electromagnética, y esa señal no es audible, pero amplificada por un amplificador suena con el sonido característico de las guitarras eléctricas. En una interfaz se le puede agregar distintos efectos, como tremolo, distorsiones o reverb entre otros. Las radios y los televisores tienen un amplificador incorporado, que se maneja con la perilla o telecomando del volumen y permite que varié la intensidad sonora. Estos amplificadores pueden tener n etapas, por lo cual la complejidad del equipo podría aumentar o disminuir esto dependerá de las características que se deseen, además el diseñador deberá tener en cuenta muchos parámetros y condiciones para que el prototipo funcione correctamente. La ecualización es una técnica utilizada para restablecer una relación deseada que ha sido alterada, entre las señales transportadas, por las diferentes pérdidas de transmisión del cable coaxial por el que han atravesado dichas señales. No podemos alterar las características del cable, y el efecto de pasar las señales a través del cable es el de distintos cambios en los niveles de las señales transportadas. Podemos manipular, y de hecho manipulamos, los niveles de señal en forma de ayudar a compensar el efecto del "tilt" del cable. El resultado final, para propósitos de transmisión, es el mismo obtenido si, en realidad, hubiéramos sido capaces de fabricar cable con pérdidas "planas"; esto es, cable que tuviera la misma pérdida de transmisión para todas las frecuencias que pasaran a través del mismo. Un ecualizador permite aumentar o reducir la ganancia selectivamente en tres o más frecuencias para corregir deficiencias en la respuesta frecuencial de un sistema (generalmente electroacústico) o el balance tonal de una fuente. Es posible, así, resaltar frecuencias originalmente débiles, o atenuar otras de nivel excesivo. El ecualizador más sencillo es el clásico control de tono, que permite controlar, según convenga, tres grandes bandas fijas de frecuencia, denominadas genéricamente graves, medios y agudos.
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Existen dos tipos de ecualizadores: los ecualizadores gráficos o de bandas (por ejemplo los ecualizadores de octava, o de tercio de octava), que poseen varias bandas fijas (normalmente entre 5 y 31 bandas), y los ecualizadores paramétricos, en los que se puede ajustar la frecuencia central de una o más bandas, así como su extensión (controlada mediante el factor de calidad Q). En ambos casos se dispone de un ajuste para la ganancia o atenuación. Los más difundidos son los ecualizadores gráficos, aunque en general las consolas de mezcla suelen incluir en cada canal de entrada un sencillo ecualizador paramétrico o semiparamétrico
Etapa de Pre amplificación. En esta parte llevamos a cabo el diseño de un amplificador de voltaje el cual consta de 3 etapas, un amplificador diferencial de ganancia de voltaje de 100, un amplificador emisor común con ganancia de voltaje de 10, y un amplificador colector común con una ganancia de voltaje de 1. El diseño de esta etapa se inició con el diseño de nuestro colector común el cual actúa como seguidor de voltaje que tiene como característica: una impedancia alta de entrada y una impedancia baja de salida, esta etapa nos ayuda para el acoplamiento de impedancias entre nuestra etapa de amplificación de voltaje y nuestra segunda etapa que es un amplificador de potencia. Diseño del amplificador colector común. Para el diseño se prosiguió de la siguiente manera: Se hace RL igual a RE para obtener una máxima transferencia de potencia: RL= RE = R30 =3.3kΩ y (Re||RL)=1.65kΩ. M.E.S.
Rcd= Re = 3.3kkΩ Rca= (Re||RL) = 1.65kΩ ICQ=6.060606mA Con esta ICQ sacamos nuestra Hfe del datasheet del transistor la cual nos dio una Hfe=200 y una Hfemin.=140. El cual es calculado de la siguiente manera:
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Hfe*0.7 = Hfemin VCEQ=ICQ*Rca + Vcesat = 9.9999v En nuestro caso, se calculó un amplificador con configuración colector común de manera tal que nos proporcionase una Zi ya específica, puesto que comenzamos con la etapa de emisor común RBB =
= 8.61342kΩ
VBB=VBE + ICQ (
+ Re)= 21.0325v
R1 = R13+R12 = Hie =
= 28.81545kΩ
= 673.53Ω
R2 = R11 =
=12.286kΩ
Ya con nuestro amplificador colector común diseñado pasamos a nuestra otra etapa, el amplificador Emisor común de ganancia 10. Diseño del amplificador emisor común. Para esta parte tomamos la Zi de nuestro colector común como nuestra RL y RC = RL = 8.336936kΩ Como ΔV =
RE= (RC||RL)/∆V = 416.84Ω
M.E.S. Rcd= RC+RE = 8726.9Ω
Rca= (RC||RL) +RE = 4.168468kΩ Por lo que Icq nos quedaría: ICQ = 2.25813mA ICQ=2.25813mA; con esta ICQ sacamos nuestra Hib: Hib =
Y se checa que se cumpla la condición RE>>Hib, si no es así RE se deberá sustituir por una de valor más pequeño (ajustar a la condición). Por lo que proponemos una RE = R8 = 390Ω y por consiguiente:
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RBB≤
= 3.9kΩ
Vceq = VCC – (RL+RE)Icq = 10.2935v VBB=VBE + ICQ ( R1 = R17+R33 = Zi =
+ RE )= 1.66873v = 4.12kΩ
R2 = R19||R5 =
=70.1132kΩ
= 3.55472kΩ
Revisando MES: MES = 2(|ICQ|) (RC||RL) Diseño del amplificador diferencial. Posteriormente pasamos a diseñar nuestro amplificador diferencial de ganancia 100 en modo diferencial y una ganancia de 0.5 en modo común, el cual será la entrada de nuestro amplificador.
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Para esta parte tomamos nuestra RL la impedancia de entrada del amplificador emisor común ya que están conectados en cascada y nuestra Rc del diferencial la tomamos igual a la RL para máxima transferencia de potencia. RL 3.5547kΩ RC
Por lo tanto:
M.E.S. Req= (RC//RL) ICQ=
; con esta ICQ sacamos nuestra icq para ambos transistores ya que la corriente ie
̴ icq por lo que la corriente de la fuente de corriente será la suma de las dos corrientes del diferencial: Por lo que para calcular Re de la fuente de corriente es necesario proponer un voltaje VBB (Vf):
Ahora bien para determinar la REE vista por el transistor en configuración diferencial de la fuente de corriente se determinara mediante la ecuación del voltaje de Early: REE = Z0 VA = 100
Y como el diseño se requiere con protección contra variaciones de Hfe se utiliza la siguiente ecuación: Βmin = 70%βusada = 96.6 Por lo que:
VBB=VBE + Icq (
+ 2Re ) + VCE| on= 18.6505v
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R1 =
= 455.14kΩ
R2 =
=276.969kΩ
R1 = (R2||R32) y (R3||R34) (estos números de resistencias son del Esquematico) R2 = (R1serieR35) y (R34serieR36) Rc = (R21serieR9) y (R10serieR22) RL = (R23serieR15) REE = (R6serieR28)
Etapa de Potencia. Para nuestra segunda etapa se diseñó un amplificador de potencia clase AB cuasicomplementario el cual mantiene el mismo voltaje de salida pero amplifica la corriente, aquí en esta etapa se conectó una bocina de 4Ω y se le aplicó una señal de sonido a la entrada.
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En esta etapa se puso un par de colectores comunes complementarios a la entrada con un arreglo de un transistor con potenciómetro para que al variarlo se ajusta la distorsión de cruce por cero en nuestros transistores de potencia esto es para tener nuestros transistores de salida al borde de la conducción, esta etapa se alimentó con un voltaje de entrada diferente que la etapa de pre amplificación. Como datos tenemos que: Pout = 30w RL = 4Ω Por lo que:
Los cálculos para la potencia son los siguientes: Picd=
= 19.09w
Poca=
= 12.5w
PQ=
= 6.59w
%n= x 100 = 65.47% Calculo de componentes de la etapa de potencia (analizando solo el ciclo positivo):
Por lo que para polarizar estos transistores es necesario tener un mínimo de 2.3148mA en la base de Q12 para que conduzca los transistores Q10 y lo mismo para Q11 (Q10 y Q11 son iguales); asi que en lugar de polarizar con resistencias optamos por introducir una fuente de corriente y un circuito balanceador: Fuente de corriente.
Aquí es importante insertar una resistencia en Re baja solo para estabilizar a la fuente de corriente
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NOTA: En la resistencia RV2 se implementa con un potenciómetro para posible calibración debido a mal funcionamiento por mala selección de componentes (puesto que las resistencias físicas no son exactas). En el acoplador formado por Q8 solo se introducen las resistencias de 100kΩ para tener una alta impedancia de entrada en nuestro colector común, además se agrega una resistencia del mismo valor que Rebaja.
Etapa de Retro alimentación. La tercera parte del proyecto fue retro alimentar el amplificador, en base a los conocimientos que obtuvimos en clase se analizó el circuito y se llegaron a los siguientes resultados:
En esta parte se calculó la red de retro alimentación, tomando en cuenta que estamos retro alimentando voltaje en serie utilizamos las formulas y análisis ya vistas en clase.
A =
Vs Vi RL V0 Vf
β =
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β=
= 4.9937m
A = 800
Δf =
= 200
Ya que al despejar β tenemos que:
Por lo que: Al retroalimentar nuestro amplificador se estabiliza la ganancia esto es que no varía al haber variaciones de Hfe y de temperatura y así si existe una pequeña distorsión de cruce por cero también se elimina.
Etapa de Ecualización. En esta etapa se llevó a cabo el diseño de 5 filtros pasabanda sintonizados a una frecuencia central en donde se lleva a cabo una amplificación de hasta 12dB o bien su atenuación de hasta ‐12dB; en las páginas siguientes se explica el procedimiento utilizado para realizar la etapa de ecualización: Primeramente se dividen las frecuencias en octavas y a su vez se dividen para obtener tan solo 5 frecuencias de sintonización 60Hz 240Hz 1kHz 4kHz 10kHz Por lo que la ecualización estará impresa en la parte frontal de nuestro ecualizador de la siguiente manera:
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Debido a que el diseño fue con un emisor común sin capacitor de desvió las formulas y el proceso de diseño es muy similar al de la etapa de pre amplificación, por lo que será más sencillo para el lector comprender el proceso ya que solo fue variada la ganancia y la resistencia de carga así como realizar el análisis a una ganancia máxima y una ganancia mínima:
Al convertir de dB a ganancia en voltaje tenemos que: G=4
Se analizó el amplificador emisor común sin capacitor de desvió para bajas y altas frecuencias y se obtuvieron los siguientes resultados: Modelo a pequeña señal para bajas frecuencias.
ya que βib es una Z (impedancia) muy grande Por lo tanto nuestra frecuencia de corte baja quedaría definida por:
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Para el cálculo de los capacitores a frecuencias se utilizaron las siguientes fórmulas
Como no existen capacitores de las medidas resultantes se propusieron los más cercanos posibles Por lo que hay que corroborar los valores de frecuencia actuales, puesto que al variar los capacitores, las contribuciones de los polos cambiaran, lo que por consiguiente causara un corrimiento en frecuencia. Modelo a pequeña señal para altas frecuencias. En de los capacitores en alta frecuencia se realizó de la siguiente manera
cuanto al cálculo
Después de obtenido los capacitores se prosiguió por calcular las resistencias necesarias. Como es sin capacitor de desvío se introdujo una
Debido a que el ancho de banda es muy grande necesitamos agregar un capacitor en paralelo a Cμ
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El cual conectaremos entre las terminales de base y emisor, por lo tanto obtendremos un cx:
Y al despejar tenemos que:
Por lo tanto al sustituir los valores actuales y las frecuencias de corte deseadas, nos quedaron como resultados: AB= 4Hz—60Hz Cc = 2.2μF, Cb= 33μF, Cx= 145.189nF AB=60Hz—240Hz Cc = 133nF, Cb= 1.66μF, Cx= 36.28nF AB=240Hz—1 kHz Cc = 33nF, Cb= 470nF, Cx= 8.6989nF AB=1 kHz—4 kHz Cc = 8nF, Cb= 97.3nF, Cx= 2.1648nF AB=4 kHz‐‐16 kHz Cc = 2nF, Cb= 24.2nF, Cx= 531.27pF
Análisis de resultados.
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Al implementar nos percatamos que en la etapa de ecualización al insertar la etapa con una configuración colector común, la señal de salida del ecualizador quedaba atenuada 5 veces (el mismo número de etapas del ecualizador), por lo que optamos por dejar instalado usando la configuración emisor común sin capacitor de desvió, además tenemos un control de ganancia al variar la Re de nuestra configuración sin alterar por mucho la respuesta en frecuencia de este.
Conclusiones. La respuesta de nuestro proyecto dependerá de nuestros componentes externos por ello, se recomienda utilizar etapas como cargas activas (fuentes de corriente), esto es para hacer invariable nuestra respuesta debido a cambios de temperatura y/o valores inexactos.
Esquematico completo.
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Anexos.
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