En el tutorial anterior, se cubrieron los conceptos básicos de los filtros de audio. Como aprendimos, los filtros de audio pueden ser pasivos o activos según los componentes utilizados y si requieren o no fuente de alimentación.
En términos de respuesta de frecuencia, los filtros también se pueden clasificar en filtros altos, bajos, de banda y de paso total, así como filtros de muesca, muesca en T, rechazo de banda y ecualizador. Ahora estamos listos para diseñar un crossover de audio.
Un crossover de audio es un circuito electrónico que divide la señal de audio en dos o más bandas de frecuencia. Luego, estas bandas de frecuencia se envían a los diferentes controladores de audio (como el tweeter, el woofer o el altavoz de rango medio). Es). Sin embargo, un solo altavoz no puede cubrir todo el rango de frecuencias audibles debido a las limitaciones de su diseño. Por lo tanto, se necesitan diferentes controladores (altavoces) para ofrecer diferentes rangos de frecuencias.
Por ejemplo, los tweeters se suelen utilizar para señales de audio de alta frecuencia , mientras que los woofers se utilizan para señales de baja frecuencia . Como sugiere el nombre, los controladores de rango medio son ideales para señales de rango medio .
Para dividir una señal de audio en diferentes bandas de frecuencia, se utilizan filtros de audio separados en un crossover. Por lo general, se clasifican como intersecciones de dos o tres vías.
Bidireccional divide la señal de audio en dos bandas de frecuencia (una banda de alta frecuencia para un tweeter y una banda de baja frecuencia para un woofer) y es el cruce más común utilizado en los sistemas de audio estándar.
Triple divide la señal de audio en tres bandas, lo cual es menos común pero más eficiente. Divide la señal de audio en diferentes frecuencias para que coincida mejor con los altavoces de tweeter, woofer y de rango medio .
En este tutorial, construiremos un crossover bidireccional utilizando filtros de audio activos. El crossover tendrá un filtro de paso alto para proporcionar señales de alta frecuencia a un altavoz y un filtro de paso bajo para proporcionar señales de baja frecuencia a otro altavoz. Ambos circuitos utilizarán un amplificador operacional (amplificador operacional) .
El audio se recibirá a través de un Smartphone y se emitirá a través de dos altavoces diferentes. La frecuencia de corte para ambos filtros será de 500 Hz.
Para probar el crossover, comprobaremos la curva de respuesta de frecuencia de los filtros de audio. Esta curva se dibujará trazando los niveles de voltaje de la señal de audio frente a las frecuencias. También se utilizará un generador de funciones como fuente de entrada para demostrar ondas sinusoidales en diferentes frecuencias.
Usaremos algunos términos comunes asociados con amplificadores de audio o filtros de audio, como ganancia, efecto de recorte, frecuencia de corte, ancho de banda y factor de calidad. Cubrimos algunos de ellos en el tutorial anterior: Comprensión de los filtros .
Componentes necesarios
Figura 1. Lista de componentes necesarios para un crossover de audio bidireccional
Diagrama de bloques
Figura 2. Diagrama de bloques de un crossover de audio bidireccional
Conexiones de circuito
En un circuito cruzado, la señal de audio se divide entre diferentes bandas de frecuencia. Cada banda se amplifica por separado y la salida se aplica a la unidad de accionamiento adecuada. Cada banda de frecuencia tiene una perilla separada para controlar la ganancia de la señal de audio, como se muestra aquí:
Un típico crossover de audio bidireccional.
Este circuito cruzado está diseñado conectando estos componentes...
Fuente de alimentación: se utiliza una fuente de alimentación dual para alimentar este circuito, utilizando dos baterías de 9 V. Se requiere una fuente de CC para polarizar los amplificadores operacionales utilizados en ambos circuitos de filtro. Las baterías proporcionan voltajes de suministro negativos y positivos a los amplificadores.
Los voltajes de suministro positivos y negativos se suministran a los amplificadores utilizados en ambos filtros utilizando las mismas baterías.
- Para proporcionar voltaje de suministro negativo a los amplificadores operacionales, el cátodo de una batería se conecta al pin de suministro negativo del amplificador y el ánodo de esa batería se conecta a tierra.
- Para proporcionar voltaje de suministro positivo al amplificador operacional, el ánodo de la otra batería está conectado al pin de alimentación positivo del amplificador y el cátodo de esa batería está conectado a tierra.
Las baterías se conectarán al amplificador operacional respectivo como se muestra en este diagrama de circuito:
Un diagrama de circuito de una fuente de alimentación dual para filtros activos de paso alto y paso bajo.
Fuente de audio : la entrada de audio para este proyecto la proporciona un teléfono inteligente . Para ello, necesitaremos conectar un conector de audio de 3,5 mm al teléfono. El tomacorriente debe tener tres cables: uno para tierra, uno para el canal izquierdo y un tercero para el canal derecho. Los cables que se conectan a los canales se utilizan para los sistemas estéreo.
En este sistema, la señal de audio de ambos canales se transmite con una diferencia de fase de 180 grados. Las señales de audio desfasadas se combinan para producir una señal de audio libre de ruido , lo que se denomina sistema de audio balanceado.
En nuestro circuito, sin embargo, sólo uno de los canales se utiliza como fuente de audio. El cable de tierra del conector está conectado a tierra común. Por lo tanto, este sistema de audio estará desequilibrado y la fuente de audio se conectará como un canal de fuente único o mono.
Un conector de audio de 3,5 mm.
Filtro de paso alto : se conecta un filtro de paso alto activo de primer orden en el circuito. Mediante este filtro, la entrada de audio pasa a través del pin no inversor del amplificador operacional a través de una red RC (lo que significa que utiliza una resistencia y un condensador).
La señal de audio pasa a través del condensador. Su impedancia es inversamente proporcional a la frecuencia y la capacitancia; por lo tanto, cuanto menor es la frecuencia, mayor es la impedancia y viceversa. Por lo tanto, el elemento de señal de audio de alta frecuencia tendrá menos impedancia y pasará fácilmente a través del condensador hacia la entrada no inversora del amplificador. El elemento de baja frecuencia de la señal contendrá un mayor nivel de impedancia. Es anulado por la resistencia conectada a tierra.
La impedancia del condensador se puede determinar mediante esta ecuación:
(Impedancia), Xc= 1/ (2π*f*C)
T El filtro de paso alto está diseñado utilizando un condensador de 100 nF (“C1” en el diagrama del circuito) y una resistencia de 3,2 kiloohmios (“R2”). Usando estos valores para el capacitor y la resistencia, la frecuencia de corte del filtro se puede calcular de la siguiente manera:
FH= 1/ (2πR2C1)
FH= 1/ (2π*3,2k*100n)
FH= 500 Hz (aprox.)
La red RC forma un filtro pasivo de paso alto. A través de esta red, la señal de audio filtrada, que ahora transporta sólo señales de alta frecuencia , pasa al pin no inversor del amplificador operacional.
Un diagrama de circuito de un amplificador operacional LM741 en un filtro de paso alto activo.
Para este proyecto, utilizamos el amplificador operacional IC LM741. El LM741 es un amplificador operacional de uso general con una impedancia de entrada baja ( en megaohmios), en comparación con un amplificador operacional FET, que tiene una impedancia de entrada alta ( en gigaohmios) .
El circuito integrado LM741
Lo ideal es que la impedancia de salida del 741 sea cero, pero normalmente ronda los 75 ohmios. La corriente de alimentación máxima del 741 IC es de aproximadamente 2,8 mA, con una tensión de alimentación de hasta +/- 18 V.
El IC tiene las siguientes configuraciones de pines:
El IC tiene protección contra sobrecarga de entrada y salida y tiene bloqueo cero cuando se excede el rango del modo común . El IC puede recibir una tensión de alimentación positiva o negativa de hasta 22 V y una tensión de señal de entrada (amplitud) de hasta 15 V. Generalmente, se debe suministrar una tensión positiva o negativa de al menos 10 V.
El diagrama del circuito interno de un amplificador operacional IC LM741.
El LM741 se puede configurar como amplificador de bucle abierto o cerrado y como amplificador inversor o no inversor.
En este circuito, se utilizó IC LM741 como amplificador no inversor. T La señal de entrada del filtro pasivo de paso alto está conectada al pin de entrada no inversor del IC (pin 3). Una resistencia de 22 kiloohmios (“R5” en el diagrama del circuito) está conectada entre los pines 6 y 2 del IC, lo que proporciona retroalimentación negativa. El pin inversor (pin 2) está conectado a tierra a través de una resistencia de 2,2 kiloohmios (“R3”) .
La ganancia del amplificador está definida por estas resistencias y se puede calcular de la siguiente manera:
Ganancia = (R5/R3)
= 22/2,2 mil ohmios
= 10
Como resultado, el elemento de alta frecuencia de la señal de audio se amplifica 10 veces en comparación con la señal de audio de entrada. La salida del amplificador operacional se toma del pin 6 del IC, que está conectado a uno de los cables del altavoz.
Filtro de paso bajo : se conecta un filtro de paso bajo activo de primer orden en el circuito. A través de este filtro, la entrada de audio pasa al pin no inversor del amplificador operacional a través de una red RC . La señal de audio pasa a través de la resistencia, que tiene una respuesta independiente de la frecuencia. Los elementos de alta frecuencia de la señal de audio se derivan a través de un condensador a tierra.
La impedancia del condensador es inversamente proporcional a la frecuencia y su capacitancia; por lo tanto, cuanto menor es la frecuencia, mayor es la impedancia y viceversa. Por lo tanto, los elementos de alta frecuencia de la señal de audio experimentan menos impedancia y se derivan fácilmente a través del condensador a tierra. Los elementos de baja frecuencia de la señal de audio experimentan más impedancia y no pueden pasar a través del condensador.
La impedancia de un capacitor se puede dar con esta ecuación:
(Impedancia), Xc= 1/ (2π*f*C)
T El filtro de paso bajo está diseñado utilizando un condensador de 100 nF (“C2” en el diagrama del circuito) y una resistencia de 3,2 kiloohmios (“R1”). Dados estos valores de condensador y resistencia, la frecuencia de corte del filtro se puede calcular de la siguiente manera:
FH= 1/ (2πR2C1)
FH= 1/ (2π*3,2k*100n)
FH= 500 Hz (aprox.)
La red RC forma un filtro pasivo de paso bajo. A través de la red, la señal de audio filtrada, que ahora transporta sólo elementos de baja frecuencia , pasa al pin no inversor del amplificador operacional.
Un diagrama de circuito de un amplificador operacional 741 utilizado con un filtro de paso bajo activo.
En este circuito de filtro de paso bajo, el IC LM741 se utiliza como amplificador no inversor. T La señal de entrada del filtro está conectada al pin de entrada no inversor del IC (pin 3). Una resistencia de 22 kiloohmios (“R6” en el diagrama del circuito) está conectada entre los pines 6 y 2 del IC, lo que proporciona retroalimentación negativa. El pin inversor (pin 2) está conectado a tierra a través de una resistencia de 2,2 kiloohmios (“R4”) .
La ganancia del amplificador está definida por estas resistencias y se puede calcular de la siguiente manera:
Ganancia = (R6/R4)
= 22/2,2 kiloohmios
= 10
El elemento de baja frecuencia de la señal de audio se amplifica 10 veces en comparación con la señal de audio de entrada. La salida del amplificador operacional se toma del pin 6 del IC, que está conectado a uno de los cables del altavoz.
Altavoces – En el circuito se utilizan dos altavoces, con una potencia de 25 mW y 8 ohmios de impedancia. Un cable de cada altavoz está conectado a los pines de salida del amplificador operacional y el otro está conectado a tierra común.
Los altavoces regeneran el sonido de la señal de audio. Idealmente, las señales de alta frecuencia deberían enviarse a un tweeter y las señales de baja frecuencia a un woofer. Sin embargo, para este tutorial se utilizan altavoces básicos en el circuito.
Seguridad primero
Se deben tomar las siguientes precauciones al ensamblar este circuito:
1. Utilice únicamente altavoces equivalentes a la salida del amplificador o de alta potencia.
2. Evite saturar la señal de salida ya que esto podría dañar los altavoces.
3. Coloque siempre los componentes lo más cerca posible entre sí para reducir el ruido en el circuito.
4. La placa de pruebas produce mucho ruido y componentes sueltos , por lo que se recomienda hacer este circuito en PCB para mayor claridad sin distorsión ni ruido.
Un prototipo de crossover de audio bidireccional.
Cómo funciona el circuito
Un solo canal de audio se alimenta como entrada al circuito, y los circuitos de filtro de paso alto y paso bajo reciben esta señal de audio. El filtro de paso alto extrae las señales de audio de alta frecuencia (frecuencias superiores a 500 Hz) y las envía al amplificador operacional, que amplifica la señal en 10.
De manera similar, el filtro de paso bajo extrae las señales de baja frecuencia (frecuencias inferiores a 500 Hz) y las envía al amplificador operacional, que amplifica la señal en 10. La salida de los filtros de paso alto y paso bajo se dirige a diferentes Altavoces. Dado que los elementos de baja y alta frecuencia de la señal de audio se separan y se envían a los parlantes ideales, el sonido amplificado es nítido y claro.
Un tipo de filtro activo, de paso alto y de paso bajo.
Probando el circuito
Para probar el circuito del filtro, se utiliza un generador de funciones como fuente de entrada para generar una onda sinusoidal de amplitud constante y frecuencia variable. Debido a que una señal de audio es esencialmente una onda sinusoidal, se puede usar un generador de funciones en lugar de un micrófono u otro tipo de fuente de audio.
Notará que no se utilizan auriculares durante las pruebas ya que sus parlantes son resistivos e inductivos. A diferentes frecuencias, se trata de cambios de inductancia, que a su vez cambian la impedancia (combinación R y L) del altavoz.
Por lo tanto, utilizar un altavoz como carga para derivar sus especificaciones en la salida del amplificador operacional puede generar resultados falsos o no estándar. En su lugar, se utiliza una carga ficticia puramente resistiva. Dado que la resistencia no cambia con la frecuencia, puede considerarse una carga confiable independientemente de la frecuencia de entrada de la señal de audio.
La amplitud pico a pico de la señal del generador de funciones se establece en 23 mV y se conecta una carga resistiva de 100 ohmios a la salida (en lugar de los altavoces). La frecuencia de corte de los filtros de paso alto y paso bajo debe ser de 500 Hz y la ganancia de voltaje del amplificador operacional debe ser de 10.
En este caso, se observó una ganancia de voltaje de 11. La respuesta de frecuencia de los filtros de paso alto y paso bajo fue la siguiente:
La salida resulta de un cruce de audio bidireccional.
Luego, esta tabla se utiliza para trazar una curva de frecuencia para los filtros de paso alto y paso bajo.
La curva de frecuencia del filtro de paso bajo:
La respuesta de frecuencia del filtro de paso bajo.
La respuesta de frecuencia del filtro de paso alto.
La curva de frecuencia para los filtros de paso alto y paso bajo se puede trazar con mayor precisión tomando una lectura del nivel de voltaje para una mayor cantidad de frecuencias.
En resumen, en este tutorial diseñamos un crossover bidireccional, que tiene una potencia de salida máxima de 22 mW y una ganancia de señal de 20 dB. Es decir, la frecuencia de corte es de 500 Hz. El cruce para otras frecuencias de corte también se puede diseñar seleccionando valores de resistencia y condensador adecuados para los circuitos de filtro de paso alto y paso bajo.
Este crossover de audio se puede utilizar para controlar diferentes tipos de altavoces, como tweeters, woofers y subwoofers . También se puede utilizar en sistemas de audio Hi-Fi para separar la banda de frecuencia de la señal de audio .
Este fue un diseño de circuito simple que utiliza pocos componentes, pero se puede convertir en un crossover de tres vías (o más) agregando más filtros al circuito.
En el próximo tutorial, diseñaremos un ecualizador de audio.
