Diseño de un amplificador de potencia de audio de 1 vatio – 3/9

En el tutorial anterior, se diseñó un amplificador de potencia de audio de 250 mili vatios utilizando el amplificador de potencia IC LM-386. Según la aplicación, los amplificadores de audio se pueden clasificar en dos clases:
1) Preamplificador
2) amplificador de potencia
Los preamplificadores se utilizan para nivelar las señales de audio de un micrófono o una fuente de audio a niveles de voltaje estándar, mientras que los amplificadores de potencia se utilizan generalmente en la etapa de salida de los sistemas de audio para aumentar las señales de audio antes de reproducirse a través de los altavoces. En este tutorial se diseñará un amplificador de potencia con una potencia de salida de 1 vatio. El amplificador de audio diseñado en este proyecto funcionará en el rango de 20 Hz a 20 KHz, que es el mismo rango de frecuencias audibles para los humanos. El circuito amplificador se diseñará para tener una ganancia de voltaje variable en el rango de 26 dB a 46 dB.
El circuito de este amplificador utiliza un amplificador operacional como componente básico. Por tanto, IC LM-386 es el corazón del circuito. LM-386 es un amplificador de potencia de audio IC de baja potencia. El circuito amplificador estará equipado con una función de control de volumen mediante una resistencia variable en la salida.
En el artículo introductorio de esta serie, se analizaron varios parámetros de diseño de circuitos amplificadores de audio, como ganancia, volumen, tasa de pendiente, linealidad, ancho de banda, efecto de recorte, estabilidad, eficiencia, SNR, potencia de salida, THD y bucle de conexión a tierra. Este circuito amplificador se diseñará considerando los siguientes parámetros de diseño:
Ganancia (voltaje): 26 dB a 46 dB
Ancho de banda: 20 Hz a 20 KHz
Potencia de salida – 1W
El amplificador estará diseñado para entregar audio a un altavoz de 10 vatios con una impedancia de 8 ohmios. El circuito tendrá las siguientes características adicionales:
– Sin efecto de recorte
- Control del volumen
Al diseño del circuito le seguirán pruebas del circuito para verificar los factores de diseño previstos y la observación de la forma de onda de salida en un CRO para verificar el efecto de recorte.
Componentes necesarios –
Fig. 1: Lista de componentes utilizados para diseñar un amplificador de potencia de audio de 1 vatio
Diagrama de bloques -

Fig. 2: Diagrama de bloques del amplificador de potencia de audio

Conexiones de circuito –

El circuito amplificador se construye ensamblando los siguientes componentes:
1) Fuente de CC: se utiliza una batería de 12 V para alimentar el circuito. Esta fuente de CC también suministra el voltaje de polarización al amplificador. El circuito utilizado en este amplificador es similar al circuito diseñado en el tutorial anterior. En este circuito sólo aumenta la tensión de alimentación.
2) Fuente de audio: la entrada de audio la proporciona un teléfono inteligente. Para recibir audio desde el teléfono inteligente, se conecta un conector de audio de 3,5 mm al teléfono. El conector de audio de 3,5 mm tiene tres cables: uno para tierra y dos cables para los canales izquierdo y derecho. Dado que el amplificador está diseñado para un solo canal, sólo uno de los cables del canal se conectará al amplificador como entrada de audio. El cable de tierra del conector se conectará a la tierra común del circuito.
Conector de audio de 3,5 mm
Figura 3: Imagen del conector de audio de 3,5 mm
3) Amplificador de potencia de audio LM386: LM386 es un circuito integrado de amplificador de potencia de audio de bajo voltaje. Opera entre un rango de voltaje de 4 V a 12 V. En este circuito, el IC recibe un voltaje de polarización de 12 V. Este IC puede controlar una carga con una impedancia en el rango de 4 ohmios a 32 ohmios. Dado que el altavoz utilizado como carga en la salida del amplificador tiene una impedancia de 8 ohmios, el IC es adecuado para controlarlo bien. Internamente, la ganancia de voltaje del IC se establece en 20 (26 dB), pero se puede configurar entre 20 (26 dB) y 200 (46 dB) conectando una combinación adecuada de resistencia y condensador entre los pines 1 y 8.
El IC tiene 8 pines en el paquete PDIP con la siguiente configuración de pines:
Pacote PDIP de 8 pinos
Fig. 4: Tabla que enumera la configuración de pines del IC del amplificador de potencia de audio LM386
El IC tiene el siguiente diagrama de pines:
Diagrama de pinos LM-386
Fig. 5: Diagrama de pines del IC del amplificador de potencia de audio LM386
El IC tiene el siguiente diagrama interno:
Circuito interno LM-386
Figura 6: Diagrama de circuito interno del IC del amplificador de potencia de audio LM386
Su circuito interno se puede representar mediante el siguiente diagrama funcional:
Diagrama Funcional do LM-386
Fig. 7: Diagrama de bloques interno del IC del amplificador de potencia de audio LM386

Este IC es básicamente un amplificador operacional cuya ganancia de voltaje se puede ajustar usando un circuito RC adecuado entre sus pines de configuración de ganancia. Si los pines de configuración de ganancia se dejan abiertos, la ganancia de voltaje del amplificador se configurará internamente en 20 (26 dB). Para ajustar la ganancia entre el rango deseado de 20 (26 dB) y 200 (46 dB), una resistencia variable (mostrada como RV2 en el diagrama del circuito) de 4,7 kiloohmios y un condensador (mostrado como C1 en el diagrama del circuito) de Se conectan 10 uF entre los pines 1 y 8 del IC. Para controlar el nivel de volumen de salida, se conecta una resistencia variable (que se muestra como RV1 en el diagrama del circuito) a la entrada del pin no inversor. Esta resistencia variable en realidad cambia la amplitud (nivel de voltaje de entrada) de la señal de entrada, ya que la amplitud define el volumen de la señal de audio.

CI LM-386

Figura 8: Imagen típica del IC del amplificador de potencia de audio LM386

Los pines 2 y 3 son los pines de entrada del IC. El pin 2 es el pin de entrada inversor y está conectado a tierra. El pin 3 es el pin de entrada no inversor y se utiliza para alimentar la señal de audio que se amplificará junto con un potenciómetro de 10k y un condensador que bloquea cualquier señal de CC de la entrada. El pin 4 es el pin de tierra y está conectado a tierra común. El pin 6 es el pin de fuente de alimentación del IC y está conectado a 12 V CC. Se utiliza un condensador de filtro (que se muestra como C2 en el diagrama del circuito) de 100 uF para eliminar cualquier ondulación de alta frecuencia en la entrada. En el pin 5, que es el pin de salida del IC, se conecta un condensador (que se muestra como C7 en el diagrama del circuito) de 1000 uF para bloquear cualquier componente de CC. Los componentes de CC (como aparecen en el caso del efecto de recorte) pueden dañar el altavoz conectado a la salida del circuito.
Junto con este condensador, en el pin de salida se utiliza un circuito de filtro RC que consta de una resistencia (que se muestra como R1 en el diagrama del circuito) de 10 ohmios y un condensador (que se muestra como C6 en el diagrama del circuito) de 0,05 uF. Esto se llama la "red Zobel". Garantiza que la impedancia del altavoz aparezca como una resistencia constante al amplificador después de la salida. Por tanto, ayuda a estabilizar la frecuencia y las oscilaciones en la salida. Si se intercambian el condensador C6 y la resistencia R1, ya no será una red Zobel, pero la impedancia de salida seguirá siendo constante. El pin 7, que es el pin del terminal de derivación, está conectado a tierra con un condensador para mejorar la estabilidad de la salida del amplificador.
4) Altavoces – Un altavoz con una potencia de 10 Watts y una impedancia de 8 ohmios se utiliza como carga en la salida del amplificador. El altavoz está conectado al pin 5 del IC, que es el pin de salida del LM386, y el cable de tierra del altavoz está conectado a la tierra común.
Alto-falante de 10 watts e 8 Ohms
Fig. 9: Imagen típica de un altavoz de 10 vatios y 8 ohmios

Al ensamblar este circuito, se deben tomar las siguientes precauciones:

1. Utilice siempre el condensador de filtrado en el terminal de entrada de la fuente de alimentación para evitar ondulaciones no deseadas.
2. Utilice el altavoz equivalente o de alta potencia como potencia de salida del amplificador.
3. Utilice siempre un condensador en serie a través de la salida del amplificador para bloquear cualquier componente de CC.
4.Utilice la red Zobel para la estabilidad de la frecuencia.
5.Calcule siempre la potencia máxima del amplificador antes de conectarlo al altavoz. El valor práctico puede diferir del teórico.
6. Para una mejor estabilidad, conecte a tierra el pin de derivación utilizando un condensador.
7. Siempre verifique la potencia nominal del IC LM386 en su hoja de datos, ya que diferentes empresas tienen diferentes clasificaciones.
8. Evite recortar la señal de salida ya que esto podría dañar el altavoz.
9. Coloque siempre los componentes lo más cerca posible entre sí para reducir el ruido en el circuito.
10. Siga siempre la topología en estrella al realizar la conexión a tierra, esto mantendrá el ruido bajo y reducirá los problemas de conexión a tierra del circuito.
Circuito amplificador de potência de áudio de 1 Watt
Figura 10: Prototipo de amplificador de potencia de audio de 1 vatio basado en IC LM386
Cómo funciona el circuito –
El LM386 es básicamente un amplificador operacional. El IC viene con un circuito de ganancia interno que tiene una resistencia interna de 1,35 kiloohmios que configura la ganancia predeterminada del amplificador en 20 (26 dB). La resistencia interna se puede puentear conectando un condensador entre los pines 1 y 8 del IC. Al ignorar la resistencia interna, la ganancia se establece en 200 (46 dB). La ganancia de voltaje del amplificador se puede ajustar entre 20 (26 dB) y 200 (46 dB) conectando una resistencia variable en serie con el condensador de derivación.
La potencia de salida del LM386 varía según el voltaje de entrada de CC o el voltaje de polarización. Según la hoja de datos, el LM386N-1 tiene la siguiente potencia de salida para un voltaje de suministro de 9 V y una carga de 8 ohmios:
A 9V/8E: 500 mW (mín.) a 700 mW (típico)
  Características Elétricas do LM-386
Fig. 11: Captura de pantalla de las características eléctricas del IC LM386 de su hoja de datos

Así, con una tensión de alimentación ajustada a 12 V y una carga de 8 ohmios en la salida, la potencia de salida del amplificador puede ser de aproximadamente 1 vatio.

Considerando la potencia de salida típica del amplificador IC de 700 mW (en realidad, para 9 V) y la impedancia de carga (puramente resistiva e independiente de la frecuencia) de 8 ohmios, el voltaje cuadrático medio en la salida del amplificador se puede calcular de la siguiente manera:
Po= (Vrms)2/R
Dónde,
Potencia de salida, Po = 700 mW
Resistencia de carga, R = 8 ohmios
Al ingresar los valores,
0,7 = (Vrms)2/8
Tensión RMS (media cuadrática), Vrms = 2,37 V
Por lo tanto, el voltaje pico a pico para una potencia de 700 mW es el siguiente:
Vp-p = Vrms*(2)1/2
Vp-p = 2,37*1,414
Vp-p(máximo)= 3,35 V (aprox.)
La corriente máxima suministrada por el IC para una potencia de salida de 700 mW se puede calcular de la siguiente manera:
Po = Vrms*Io
0,7 = 2,37*Io
Yo = 295 mA
Corriente de salida máxima, Io = 295 mA (aprox.)
El voltaje de entrada con una ganancia de 26 dB para el voltaje de salida pico a pico de 3,35 V se puede calcular de la siguiente manera:
Ganancia = 26 db/20
Ganancia = Voltaje de salida (pico – pico) / Voltaje de entrada (pico-pico)
Voltaje de entrada = 3,35/20
Voltaje de entrada, Vin (pp) = 167,5 mV
El voltaje de entrada con una ganancia de 46 dB para el voltaje de salida pico a pico de 3,35 V se puede calcular de la siguiente manera:
Ganancia = 46 db/200
Ganancia = Voltaje de salida (pico – pico) / Voltaje de entrada (pico-pico)
Voltaje de entrada = 3,35/200
Voltaje de entrada, Vin (pp) = 16,75 mV
Por lo tanto, al aplicar un voltaje de entrada en el rango de 16 mV a 160 mV, el LM386 proporciona una ganancia de voltaje entre 20 (26 dB) y 200 (46 dB), el voltaje de salida debe obtenerse alrededor de 3,35 V. Por tanto, la amplitud de la señal de entrada puede variar de 16 mV a 160 mV sin recorte.
Considerando que la potencia de salida máxima del amplificador IC es de 1 W y la impedancia de carga (puramente resistiva e independiente de la frecuencia) de 8 ohmios, el voltaje cuadrático medio en la salida del amplificador se puede calcular de la siguiente manera:
Po= (Vrms)2/R
Dónde,
Potencia de salida, Po = 1000 mW
Resistencia de carga, R = 8 ohmios
Al ingresar los valores,
1 = (Vrms)2/8
Voltaje RMS (media cuadrática), Vrms = 2,82 V
Por lo tanto, el voltaje pico a pico para una potencia de 1000 mW es el siguiente:
Vp-p = Vrms*(2)1/2
Vp-p = 2,82*1,414
Vp-p(máximo)= 4 V (aprox.)
La corriente máxima suministrada por el IC para una potencia de salida de 1000 mW se puede calcular de la siguiente manera:
Po = Vrms*Io
1 = 2,82*Io
Yo = 355 mA
Corriente de salida máxima, Io = 355 mA (aprox.)
El voltaje de entrada con una ganancia de 26 dB para el voltaje de salida pico a pico de 4 V se puede calcular de la siguiente manera:
Ganancia = 26 db/20
Ganancia = Voltaje de salida (pico – pico) / Voltaje de entrada (pico-pico)
Voltaje de entrada = 4/20
Voltaje de entrada, Vin (pp) = 200 mV
El voltaje de entrada con una ganancia de 46 dB para el voltaje de salida pico a pico de 4 V se puede calcular de la siguiente manera:
Ganancia = 46 db/200
Ganancia = Voltaje de salida (pico – pico) / Voltaje de entrada (pico-pico)
Voltaje de entrada = 4/200
Voltaje de entrada, Vin (pp) = 20 mV
Por lo tanto, al aplicar un voltaje de entrada en el rango de 20 mV a 200 mV, el LM386 proporciona una ganancia de voltaje entre 20 (26 dB) y 200 (46 dB), se debe obtener un voltaje de salida de alrededor de 4 V. La amplitud de la señal de entrada para la salida de potencia máxima del IC con un suministro de 12 V puede variar de 20 mV a 200 mV sin recorte.
Suponiendo que el IC proporciona una potencia mínima según su hoja de datos, la señal de audio de entrada con una amplitud en el rango de 20 mV a 200 mV con una tolerancia de aproximadamente el 10 por ciento se puede aplicar a la entrada del amplificador. La señal de entrada debe amplificarse de 20 a 200 veces dependiendo de la ganancia establecida por la resistencia variable en el pin 8 del IC.
Probando el circuito –
Para probar el circuito amplificador, se utiliza el generador de funciones como fuente de entrada. El generador de funciones se utiliza para generar una onda sinusoidal de amplitud y frecuencia constantes. Cualquier señal de audio también es básicamente una onda sinusoidal, por lo que se puede utilizar un generador de funciones en lugar de un micrófono o una fuente de audio real. Por tanto, el generador de funciones se puede utilizar como fuente de entrada para probar el circuito amplificador de audio. Durante las pruebas, también en la salida, no se utiliza ningún altavoz como carga, ya que el altavoz es tanto resistivo como inductivo. A diferentes frecuencias, su inductancia cambia, lo que a su vez cambia la impedancia (combinación R y L) del altavoz. Por lo tanto, utilizar un altavoz como carga en la salida del amplificador para derivar sus especificaciones puede generar resultados falsos o no estándar. En lugar del altavoz se utiliza una carga ficticia puramente resistiva. Dado que la resistencia no cambia con la frecuencia, se puede considerar una carga confiable independientemente de la frecuencia de la señal de audio de entrada.
Para probar el circuito amplificador, primero se establece el voltaje de entrada dentro del rango aplicable entre 20 mV y 200 mV. La frecuencia de la señal de entrada se establece en 1 KHz. Luego, la forma de onda de salida se observa en CRO y la señal de entrada se amplifica hasta que la forma de onda de salida comienza a recortarse. El voltaje de salida pico a pico inmediatamente antes del recorte se mide para el análisis del circuito, como la determinación de la potencia de salida y la ganancia del amplificador.
Con una ganancia de 20 dB, se observaron las siguientes formas de onda de entrada y salida, donde la señal de entrada está representada por la forma de onda roja y la señal de salida está representada por la forma de onda amarilla:
  Saída do amplificador de potência de áudio LM-386 observada no CRO
Fig. 12: Imagen de las señales de entrada y salida del amplificador de potencia de audio LM386 observadas en el CRO
Se observó que la forma de onda de salida comenzó a recortarse en el nivel de 4V. Sin embargo, se encontró que la impedancia de carga era prácticamente de 10 ohmios en lugar de 8 ohmios. Para esta impedancia, la potencia consumida por la carga se puede calcular de la siguiente manera:
Potencia máxima de salida, Po = V2(pp)/2R
Po = (4*4)/(2*10)
Pó = 800 mW
Así, con el aumento de la impedancia de carga, la potencia de salida del amplificador se redujo a 800 mW desde el valor teórico de 1 W.
Con una ganancia de 26 dB, se hicieron las siguientes observaciones:
26dB
Fig. 13: Tabla que enumera las características de salida del amplificador de potencia de audio de 1 vatio con ganancia de 26 dB
Con una ganancia de 46 dB, se hicieron las siguientes observaciones:
46dB
Fig. 14: Tabla que enumera las características de salida del amplificador de potencia de audio de 1 vatio con ganancia de 46 dB
Así, se puede ver que si la ganancia del amplificador se establece en 26 dB, el voltaje de entrada o la amplitud de la señal de entrada no debe exceder los 200 mV y si la ganancia del amplificador se establece en 46 dB, el voltaje de entrada o la amplitud de la señal de entrada no debe exceder los 200 mV. La señal de entrada no debe exceder los 20 mV ya que el voltaje de salida del IC del amplificador de potencia comienza a recortarse en el nivel de 4 V.
Por lo tanto, en este tutorial, se construye un amplificador de potencia de audio con una potencia de salida de 1 W (prácticamente 800 mW de potencia debido a que la impedancia de carga real es de 10 ohmios) y una ganancia en el rango de 26 dB a 46 dB. Este circuito amplificador se puede utilizar en un sistema de sonido de TV, amplificador de radio o reproductores de audio portátiles. El circuito amplificador diseñado en este tutorial es sencillo de construir y de tamaño pequeño. Tiene ganancia variable y función de control de volumen. En el siguiente tutorial, se diseñará un amplificador Bass Boost utilizando IC LM-386.

Vídeo del proyecto

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