No tutorial anterior, foram abordados os fundamentos dos filtros de áudio. Como aprendemos, os filtros de áudio podem ser passivos ou ativos dependendo dos componentes utilizados e se requer ou não fonte de alimentação.
Em termos de resposta de frequência, os filtros também podem ser classificados como alto, baixo, banda e passa-tudo, bem como filtros notch, T-notch, rejeição de banda e equalizador. Agora estamos prontos para projetar um crossover de áudio.
Um crossover de áudio é um eletrônicos circuito que divide o sinal de áudio em duas ou mais bandas de frequência. Essas bandas de frequência são então enviadas para os diferentes drivers de áudio (como tweeter, woofer ou alto-falante de médio alcance).e). No entanto, um único alto-falante é incapaz de atender a toda a gama de frequências audíveis devido às limitações do seu design. Portanto, diferentes drivers (alto-falantes) são necessários para entregar gamas diferentes de frequências.
Por exemplo, tweeters são normalmente usados para alta frequência sinais de áudio, enquanto os woofers são usados para sinais de frequência mais baixa. Como o nome sugere, os drivers de médio porte são ideais para intervalo médio sinais.
Para dividir um sinal de áudio em diferentes bandas de frequência, filtros de áudio separados são usados em um crossover. Eles são normalmente classificados como cruzamento de duas ou três vias.
O bidirecional divide o sinal de áudio em duas bandas de frequência – uma banda de alta frequência para um tweeter e uma banda de baixa frequência para um woofer – e é o crossover mais comum usado em sistemas de áudio padrão.
O triplo divide o sinal de áudio em três bandas, o que é menos comum, mas mais eficiente. Ele divide o sinal de áudio em frequências diferentes para melhor combinar com o tweeter, o woofer e os alto-falantes de médio alcance.
Neste tutorial, construiremos um crossover bidirecional usando filtros de áudio ativos. O crossover terá um filtro passa-alta para fornecer alta frequência sinais para um alto-falante e um filtro passa-baixa para fornecer sinais de baixa frequência para outro orador. Ambos os circuitos usarão um amplificador operacional (amplificador operacional).
O áudio será recebido através de um Smartphone e saída através de dois alto-falantes diferentes. A frequência de corte para ambos os filtros será de 500 Hz.
Para testar o crossover, verificaremos a curva de resposta de frequência dos filtros de áudio. Esta curva será desenhada traçando os níveis de tensão do sinal de áudio em relação às frequências. Um gerador de função também será usado como fonte de entrada para demonstrar as ondas sinusoidais em diferentes frequências.
Usaremos alguns termos comuns associados a amplificadores de áudio ou filtros de áudio, como ganho, efeito de corte, frequência de corte, largura de banda e fator de qualidade. Abordamos alguns deles no tutorial anterior: Entendendo os filtros.
Componentes necessários
Figura 1. Lista de componentes necessários para um crossover de áudio bidirecional
Diagrama de bloco
Figura 2. Diagrama de blocos de um crossover de áudio bidirecional
Conexões de circuito
Num circuito cruzado, o sinal de áudio é dividido entre diferentes bandas de frequência. Cada banda é amplificada separadamente e a saída é aplicada à unidade de acionamento apropriada. Cada banda de frequência possui um botão separado para controlar o ganho do sinal de áudio, conforme mostrado aqui:
Um típico crossover de áudio bidirecional.
Este circuito crossover é projetado conectando esses componentes…
Fonte de energia – Uma fonte de alimentação dupla é usada para alimentar este circuito, usando duas baterias de 9V. Uma fonte DC é necessária para polarizar os amplificadores operacionais usados em ambos os circuitos de filtro. As baterias fornecem tensões de alimentação negativas e positivas aos amplificadores.
As tensões de alimentação positiva e negativa são fornecidas aos amplificadores utilizados em ambos os filtros utilizando as mesmas baterias.
- Para fornecer o tensão de alimentação negativa para os amplificadores operacionais, o cátodo de uma bateria é conectado ao pino de alimentação negativo do amplificador e o ânodo dessa bateria é conectado ao terra.
- Para fornecer o tensão de alimentação positiva ao amplificador operacional, o ânodo da outra bateria é conectado ao pino de alimentação positivo do amplificador e o cátodo dessa bateria é conectado ao terra.
As baterias serão conectadas ao respectivo amplificador operacional conforme mostrado neste diagrama de circuito:
Um diagrama de circuito de uma fonte de alimentação dupla para filtros ativos passa-alta e passa-baixa.
Fonte de áudio – A entrada de áudio para este projeto é fornecida por um Smartphone. Para fazer isso, precisaremos conectar um conector de áudio de 3,5 mm no telefone. A tomada deve ter três fios: um para o terra, um para o canal esquerdo e um terceiro para o canal direito. Os fios que se conectam aos canais são usados para os sistemas estéreo.
Neste sistema, o sinal de áudio de ambos os canais é transmitido com uma diferença de fase de 180 graus. Os sinais de áudio com mudança de fase são combinados para produzir um sem ruído sinal de áudio, que é chamado de sistema de áudio balanceado.
Em nosso circuito, entretanto, apenas um dos canais é utilizado como fonte de áudio. O fio terra do conector está conectado ao terra comum. Portanto, este sistema de áudio ficará desequilibrado e a fonte de áudio será conectada como um solteiro ou canal de fonte mono.
Um conector de áudio de 3,5 mm.
Filtro passa-alta – Um filtro passa-alta ativo de primeira ordem está conectado em o circuito. Por esta filtro, a entrada de áudio é passada através do pino não inversor do amplificador operacional através um RC rede (o que significa que usa um resistor e um capacitor).
O sinal de áudio passa pelo capacitor. Sua impedância é inversamente proporcional à frequência e à capacitância — portanto, quanto menor a frequência, maior a impedância e vice-versa. O alta frequência O elemento do sinal de áudio terá, portanto, menos impedância e passará facilmente através do capacitor e para a entrada não inversora do amplificador. O baixa frequência elemento do sinal conterá um nível maior de impedância. É contornado pelo resistor conectado ao terra.
A impedância do capacitor pode ser determinada usando esta equação:
(Impedância), Xc= 1/ (2π*f*C)
TO filtro passa-alta é projetado usando um capacitor (“C1” no diagrama de circuito) de 100 nF e um resistor (“R2”) de 3,2 quilo-ohms. Usando esses valores para o capacitor e o resistor, a frequência de corte do filtro pode ser calculada da seguinte forma:
FH= 1/ (2πR2C1)
FH= 1/ (2π*3,2k*100n)
FH= 500 Hz (aprox.)
A rede RC forma um filtro passa-alta passivo. Através desta rede, o sinal de áudio filtrado – que agora transporta apenas alta frequência sinais – é passado para o amplificador operacional pino não inversor.
Um diagrama de circuito de um amplificador operacional LM741 em um filtro passa-alta ativo.
Para este projeto, estamos usando o amplificador operacional IC LM741. O LM741 é um amplificador operacional de uso geral com baixa impedância de entrada (megaohms), comparado a um amplificador operacional FET, que possui uma impedância de entrada alta (em gigaohms).
O CI LM741
A impedância de saída do 741 deveria, idealmente, ser zero, mas normalmente é de cerca de 75 ohms. A corrente de alimentação máxima do 741 IC é de cerca de 2,8 mA, com uma tensão de alimentação de até +/- 18V.
O IC possui as seguintes configurações de pinos:
O IC possui proteção contra sobrecarga de entrada e saída e tem zero travamento quando o faixa de modo comum é excedido. O IC pode receber uma tensão de alimentação positiva ou negativa de até 22 V e uma tensão de sinal de entrada (amplitude) de até 15 V. Geralmente, é deve ser fornecida uma tensão positiva ou negativa de pelo menos 10V.
O diagrama do circuito interno de um amplificador operacional IC LM741.
O LM741 pode ser configurado como aberto ou fechadolaço amplificador e como amplificador inversor ou não inversor.
Neste circuito, o IC LM741 foi usado como amplificador não inversor. TO sinal de entrada do filtro passa-alta passivo é conectado ao pino de entrada não inversor do IC (pino 3). Um resistor de 22 quilo-ohms (“R5” no diagrama do circuito) é conectado entre os pinos 6 e 2 do IC, fornecendo feedback negativo. O pino inversor (pino 2) é aterrado por meio de um resistor de 2,2 quilo-ohm (“R3”).
O ganho do amplificador é definido por esses resistores e pode ser calculado da seguinte forma:
Ganho = (R5/R3)
= 22/2,2 milohms
= 10
Como resultado, o alta frequência elemento do sinal de áudio é amplificado 10 vezes em comparação com o sinal de áudio de entrada. A saída do amplificador operacional é extraída do pino 6 do IC, que está conectado a um dos fios do alto-falante.
Filtro passa-baixa – Um filtro passa-baixa ativo de primeira ordem está conectado em o circuito. Por esta filtro, a entrada de áudio é passada para o pino não inversor do amplificador operacional via um RC rede. O sinal de áudio passa pelo resistor, que possui uma resposta independente da frequência. O alta frequência elementos do sinal de áudio são desviados através de um capacitor para o solo.
A impedância do capacitor é inversamente proporcional à frequência e à sua capacitância – portanto, quanto menor a frequência, maior a impedância e vice-versa. O alta frequência elementos do sinal de áudio, portanto, experimentam menos impedância e são facilmente desviados através do capacitor para o terra. O baixa frequência elementos do sinal de áudio experimentam mais impedância e não podem passar pelo capacitor.
A impedância de um capacitor pode ser fornecida com esta equação:
(Impedância), Xc= 1/ (2π*f*C)
TO filtro passa-baixa é projetado usando um capacitor (“C2” no diagrama de circuito) de 100 nF e um resistor (“R1”) de 3,2 quilo-ohms. Dados estes valores do capacitor e do resistor, a frequência de corte do filtro pode ser calculada da seguinte forma:
FH= 1/ (2πR2C1)
FH= 1/ (2π*3,2k*100n)
FH= 500 Hz (aprox.)
A rede RC forma um filtro passa-baixo passivo. Através da rede, o sinal de áudio filtrado – que agora transporta apenas baixa frequência elementos – é passado para o pino não inversor do amplificador operacional.
Um diagrama de circuito de um amplificador operacional 741 usado com um filtro passa-baixa ativo.
Neste circuito de filtro passa-baixa, o IC LM741 é usado como amplificador não inversor. TO sinal de entrada do filtro é conectado ao pino de entrada não inversor do IC (pino 3). Um resistor de 22 quilo-ohms (“R6” no diagrama do circuito) é conectado entre os pinos 6 e 2 do IC, fornecendo feedback negativo. O pino inversor (pino 2) é aterrado por meio de um resistor de 2,2 quilo-ohm (“R4”).
O ganho do amplificador é definido por esses resistores e pode ser calculado da seguinte forma:
Ganho = (R6/R4)
= 22/2,2 Quilo ohms
= 10
O baixa frequência elemento do sinal de áudio é amplificado 10 vezes em comparação com o sinal de áudio de entrada. A saída do amplificador operacional é extraída do pino 6 do IC, que está conectado a um dos fios do alto-falante.
caixas de som – Dois alto-falantes são usados no circuito, com potência de 25 mW e 8 ohms de impedância. Um fio de cada alto-falante é conectado ao amplificador operacional pinos de saída e o outro está conectado ao terra comum.
Os alto-falantes regeneram o som de o o sinal de áudio. Idealmente, os sinais de alta frequência devem ser enviados para um tweeter e os de baixa frequência para um woofer. Para este tutorial, entretanto, alto-falantes básicos são usados no circuito.
Segurança primeiro
Os seguintes cuidados devem ser tomados ao montar este circuito:
1. Use apenas alto-falantes equivalentes à saída do amplificador – ou de alta potência.
2. Evite cortar o sinal de saída, pois isso pode danificar os alto-falantes.
3. Sempre coloque os componentes o mais próximo possível para reduzir o ruído no o circuito.
4. O tábua de pão produz muito barulho e solto componentes, por isso é recomendado fazer este circuito em PCB para clareza, sem distorção barulho.
Um protótipo de crossover de áudio bidirecional.
Como funciona o circuito
Um único canal de áudio é alimentado como entrada para o circuito, e os circuitos de filtro passa-alta e passa-baixa recebem esse sinal de áudio. O filtro passa-alta extrai o alta frequência sinais de áudio (frequências acima de 500 Hz) e os envia para o amplificador operacional, que amplifica o sinal em 10.
Da mesma forma, o filtro passa-baixa extrai o baixa frequência sinais (frequências abaixo de 500 Hz) e os envia para o amplificador operacional, que amplifica o sinal em 10. A saída dos filtros passa-alta e passa-baixa é direcionada para diferentes alto-falantes. Desde o baixo e alta frequência elementos do sinal de áudio são separados e enviados para os alto-falantes ideais, o som amplificado é nítido e claro.
Um potótipo de um filtro ativo, passa-alta e passa-baixa.
Testando o circuito
Para testar o circuito do filtro, um gerador de função é usado como fonte de entrada para gerar uma onda senoidal de amplitude constante e frequência variável. Como um sinal de áudio é, essencialmente, uma onda senoidal, um gerador de função pode ser usado em vez de um microfone ou outro tipo de fonte de áudio.
Você notará que fones de ouvido não são usados durante os testes, pois seus alto-falantes são resistivos e indutivos. Em frequências diferentes, isso é mudanças de indutância, que por sua vez alteram a impedância (combinação R e L) do alto-falante.
Portanto, o uso de um alto-falante como carregar para derivar suas especificações na saída do amplificador operacional pode levar a resultados falsos ou fora do padrão. Em vez disso, é usada uma carga fictícia puramente resistiva. Como a resistência não muda com a frequência, pode ser considerada uma carga confiável independente da frequência de entrada do sinal de áudio.
A amplitude pico a pico do sinal do gerador de função é definida como 23 mV e uma carga resistiva de 100 ohms é conectada à saída (em vez dos alto-falantes). O cortar a frequência dos filtros passa-alta e passa-baixa deve ser 500 Hz e o ganho de tensão do amplificador operacional deve ser 10.
Neste caso, foi observado um ganho de tensão de 11. A resposta de frequência dos filtros passa-alta e passa-baixa foi a seguinte:
Os resultados de saída de um crossover de áudio bidirecional.
Esta tabela é então usada para traçar uma curva de frequência para os filtros passa-alta e passa-baixa.
A curva de frequência do filtro passa-baixa:
A resposta de frequência do filtro passa-baixa.
A resposta de frequência do filtro passa-alta.
A curva de frequência para os filtros passa-alta e passa-baixa pode ser plotada com mais precisão tomando-se um leitura do nível de tensão para um maior número de frequências.
Em resumo, projetamos um crossover bidirecional neste tutorial, que possui um potência máxima de saída de 22 mW e um ganho de sinal de 20 dB. Isso é cortar a frequência é 500 Hz. O cruzamento para outras frequências de corte também pode ser projetado selecionando valores adequados do resistor e do capacitor para os circuitos de filtro passa-alta e passa-baixa.
Este crossover de áudio pode ser usado para acionar diferentes tipos de alto-falantes, como tweeters, woofers e subwoofers. Também pode ser usado em Sistemas de áudio Hi-Fi para separar a banda de frequência da sinal de áudio.
Este foi um projeto de circuito simples usando poucos componentes, mas pode ser convertido em um crossover de três vias (ou mais) adicionando mais filtros em o circuito.
No próximo tutorial, projetaremos um equalizador de áudio.
