En el tutorial anterior se diseñó un amplificador de potencia Bass Boost. Ahora es el momento de empezar a diseñar amplificadores de potencia adecuados para aplicaciones específicas. En este tutorial, se diseñará un amplificador de audio para automóvil.
Los automóviles vienen con sistemas de audio incorporados desde hace años. El sistema de audio de un automóvil es una de las características importantes que brilla como un punto de venta único (PVU) para cualquier automóvil en el mercado. Los sistemas de audio se han convertido en un accesorio imprescindible para cualquier coche. Los consumidores suelen reemplazar los sistemas de audio estándar que vienen en sus automóviles por otros nuevos para una mejor experiencia de conducción.
Cualquier sistema de audio para automóvil tiene los siguientes componentes básicos:
1) Unidad principal
2) amplificador
3) Altavoces
La unidad principal es el corazón del sistema de audio del automóvil. La unidad principal proporciona señales de audio (que se reconstruirán como sonido) desde cintas de casete, reproductores de CD, radio satelital, radio por Internet, unidad USB u otra fuente de audio. Hoy en día, las unidades principales de los coches de alta gama también vienen con capacidad de vídeo . Estas unidades principales tienen una fuente de visualización conectada a la unidad principal para que se pueda reproducir en ella un vídeo de un CD, DVD o unidad USB. Incluso las unidades principales están hoy equipadas con sistemas automatizados de asistencia por voz para el conductor.
Las señales de audio de la unidad principal se debilitan debido a la naturaleza resistiva de los cables de conexión. Por lo tanto, se necesita un amplificador de potencia en la etapa de salida de las unidades principales para amplificar las señales y que puedan llegar a los altavoces sin pérdidas significativas. Generalmente, debido a la restricción de tamaño del automóvil, los amplificadores solo se combinan con la unidad principal. Por lo tanto, hay amplificadores integrados en la propia unidad principal. También puede conectar amplificadores externos a la unidad principal para mejorar aún más la calidad del sonido.
Con los parlantes, el sistema de audio de un automóvil está completo. En un coche hay tres o cuatro altavoces colocados en diferentes posiciones en su interior. Los altavoces captan las señales de audio del amplificador y reproducen el sonido. Un automóvil requiere un amplificador de alta potencia ya que el sonido debe ser más fuerte en él. Generalmente, los amplificadores de 10 vatios son estándar y suenan bastante alto. Para una calidad de sonido descendente es suficiente un amplificador de 6 vatios.
En este tutorial, se diseñó un amplificador de audio para automóvil de 6 vatios utilizando IC TDA2003. TDA2003 es un amplificador de potencia para radio de coche de 10 vatios. Este IC puede sostener un voltaje máximo de hasta 40 V y tiene una capacidad de corriente de salida de hasta 3,5 A. El IC puede funcionar suministrando un voltaje entre 8 V y 18 V. El amplificador de audio diseñado en este tutorial también es una fuente de alimentación. amplificador. 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 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) – 34 dB
Ancho de banda: 40 Hz a 15 KHz
Potencia de salida – 6W
El amplificador estará diseñado para entregar audio a un altavoz de 10 vatios con una impedancia de 4 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.
Componentes necesarios –
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para el amplificador de audio para automóvil de 6 vatios
Diagrama de bloques -
Fig. 2: Diagrama de bloques del amplificador de audio para automóvil
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.
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.
Fig. 3: Imagen típica de un conector de audio de 3,5 mm
3) TDA2003 – TDA2003 es un amplificador de potencia de audio monolítico, por lo tanto, todos los componentes del circuito amplificador están integrados en el propio chip. Este IC puede soportar un voltaje máximo de hasta 40 V y tiene una capacidad de corriente de salida de hasta 3,5 A. El IC puede funcionar suministrando un voltaje entre 8 V y 18 V. El IC tiene la siguiente configuración de pines:
Figura 4: Tabla que enumera la configuración de pines del IC TDA2003
El TDA2003 tiene el siguiente diagrama de pines:
Figura 5: Diagrama de pines del IC TDA2003
El TDA2003 tiene los siguientes circuitos internos:
Fig. 6: Diagrama del circuito interno del IC TDA2003
TDA2003 es básicamente un amplificador operacional de alta potencia. Se puede utilizar como amplificador de potencia para sistemas de audio de automóviles. El amplificador de audio para automóvil diseñado en este tutorial usando TDA2003 tiene una configuración no inversora ya que la entrada de audio se proporciona en el pin de entrada no inversor del IC. Este IC puede producir una potencia de 6 vatios a 12 vatios. Si intenta extraer más potencia del amplificador (más allá de sus especificaciones), el voltaje de salida (amplitud de la señal de audio) puede comenzar a recortarse. El efecto de recorte puede dañar seriamente la carga que en este caso es el altavoz.
Fig. 7: Imagen típica del IC del amplificador de audio para automóvil TDA2003
Según la ficha técnica TDA2003, la potencia de salida de este amplificador depende de la impedancia de carga. El IC tiene las siguientes salidas de potencia a 40 dB para diferentes impedancias de carga de salida:
Fig. 8: Tabla que muestra la dependencia de la potencia de salida del TDA2003 con la impedancia de carga
Por lo tanto, cuanto mayor sea la impedancia de carga, menor será la potencia de salida del CI. En este diseño de amplificador, se utiliza un altavoz de 4 ohmios de 10 vatios, por lo que la potencia de salida ideal debería ser de 6 vatios. Este IC puede soportar un cortocircuito permanente de 16 V. El IC no solo tiene protección contra cortocircuitos de voltaje CA y CC, sino que también es inmune a la inversión de polaridad al tener una sobrecorriente de hasta 5 A. Tiene diodos internos para protección contra tierra abierta. y la inductancia de carga.
El diagrama de circuito de este amplificador es un circuito de aplicación típico como se indica en la hoja de datos. La aplicación típica tiene componentes adicionales para diferentes propósitos. En el circuito, un condensador de suavizado (que se muestra como C1 en el diagrama del circuito) de 10 uF está conectado al pin de entrada no inversor en el que se proporciona la entrada de audio para bloquear cualquier componente de CC de la entrada del circuito. Otro condensador (que se muestra como C2 en el diagrama del circuito) de 470 uF está conectado al pin de entrada inversor para rechazar las ondulaciones. Hay condensadores (que se muestran como C3 y C4 en el diagrama del circuito) de 100 uF y 0,1 uF para filtrar el voltaje de suministro de entrada. El condensador C3 de alto valor está conectado para derivar señales de alta frecuencia, mientras que el condensador C4 de bajo valor está conectado para derivar señales de baja frecuencia.
Un circuito RC (que se muestra como C5 y R1 en el diagrama del circuito) está conectado al pin de salida del IC para establecer la frecuencia de corte superior. Un condensador (que se muestra como C6 en el diagrama del circuito) de 1000 uF está conectado al pin de salida para bloquear cualquier componente de CC desde el amplificador hasta los altavoces. También establece la frecuencia de corte más baja. Cuanto mayor sea el valor de este condensador, menor será la frecuencia de corte y viceversa. La frecuencia de corte es inversamente proporcional al valor del condensador.
Otro circuito RC (que se muestra como C7 y R4 en el diagrama del circuito) está conectado a la salida para estabilizar la frecuencia de salida. Se recomienda un condensador de 0,1 uF y una resistencia de 1 ohmio o menos para este circuito RC para estabilización de frecuencia. El uso de una resistencia con un valor superior a 1 ohmio en este circuito RC puede provocar oscilaciones /distorsiones de alta frecuencia. Por lo tanto, en el circuito se utilizan los valores recomendados de resistencia y condensador. Todos los componentes están conectados a tierra en una topología en estrella para evitar distorsiones en la señal de audio debido a la conexión a tierra del bucle.
Para el control de volumen, se utiliza una resistencia variable (que se muestra como RV1 en el diagrama del circuito) en la entrada del pin no inversor. Esta resistencia variable se puede ajustar para cambiar la amplitud (nivel de voltaje) de esta señal de entrada que a su vez controla la amplitud (volumen) de la señal de salida.
4) Altavoces: se utiliza un altavoz con una potencia nominal de 10 vatios y una impedancia de 4 ohmios como carga en la salida del amplificador. El altavoz está conectado al pin 4 del IC, que es el pin de salida del TDA2003 y el cable de tierra del altavoz está conectado a la tierra común. Se utiliza un altavoz de 10 vatios en lugar de 6 vatios según disponibilidad.
Fig. 9: Imagen típica de un altavoz de 10 vatios y 4 ohmios
Se deben tomar las siguientes precauciones al ensamblar el circuito:
1. Coloque siempre los componentes lo más cerca posible entre sí para reducir el ruido en el circuito. Siga la topología en estrella al realizar la conexión a tierra, esto mantendrá el ruido bajo.
2. Utilice un condensador de alto voltaje en lugar de una señal de entrada.
3. Utilice siempre el condensador de filtrado en el terminal de entrada de la fuente de alimentación para evitar ondulaciones no deseadas.
4. Utilice un altavoz de potencia equivalente o alta como potencia de salida del amplificador.
5. Utilice siempre un condensador en serie a través de la salida del amplificador para bloquear cualquier componente de CC.
6. Calcule siempre la potencia máxima del amplificador antes de conectarlo al altavoz. El valor práctico puede diferir del teórico.
7. Evite saturar la señal de salida, ya que esto podría dañar los altavoces.
8. Se recomienda utilizar un disipador de calor con el IC para proporcionar refrigeración ya que la potencia de salida es alta y esto puede calentar el IC.
Fig. 10: Prototipo de amplificador de audio para automóvil de 6 vatios
Cómo funciona el circuito –
Para este amplificador se utiliza el circuito de aplicación típico TDA2003 tal y como se indica en su ficha técnica. Según la hoja de datos, la ganancia de bucle abierto del IC cuando no hay retroalimentación de salida a entrada es de 80 dB, mientras que la ganancia de bucle cerrado cuando hay retroalimentación de salida a entrada es de 40 dB. La ganancia de voltaje del amplificador se puede configurar mediante la red divisoria resistiva (que se muestra como R2 y R3 en el diagrama del circuito) en el pin de salida del IC. Según la hoja de datos, para una carga de 4 ohmios en la salida, el IC proporciona una potencia de 6 vatios. Por lo tanto, para una carga de 4 ohmios y una potencia de salida de 6 vatios, el voltaje de salida máximo sin recorte se puede calcular de la siguiente manera:
P = V2(pp)/2R
Dónde,
Potencia de salida, P = 6 W
Resistencia de carga, R = 4 ohmios
El voltaje pico a pico en la salida es el siguiente:
P = V2( pico-pico )/2R
6 = V2( pico-pico )/(2*4)
Vp-p = 6,9 V
La ganancia máxima para un voltaje pico a pico de 6,9 V es la siguiente:
Ganancia = Vsal/Vin
Considerando Vin (voltaje de entrada) = 200 mV
Ganancia = 6,9/200
Ganancia = 34 (aprox.)
Para establecer la ganancia entre las resistencias R2 y R3, se puede utilizar la ecuación de ganancia OPAM no inversora para calcular la ganancia. Es la siguiente -
Ganancia = (R2/R3) + 1
Suponiendo R2 = 220 ohmios
34 = (220/R3) + 1
R3 = 7 ohmios (aprox.)
Por lo tanto, si se supone que R2 es de 220 ohmios, R3 debe ser de 7 ohmios para obtener la ganancia de voltaje deseada.
En el circuito, el condensador C5 y la resistencia R1 se utilizan para establecer la frecuencia de corte superior. El valor recomendado para este condensador es 39 nF para el cual se utiliza un condensador de 33 nF según disponibilidad.
El valor de la resistencia R1 se puede calcular de la siguiente manera:
R1 = 20*R3
R1 = 20*7
R1 = 140 ohmios
El valor del condensador C5 se puede calcular de la siguiente manera:
C5 = 1/(2*Pi*B*R1)
Donde B es la respuesta en frecuencia. Cada sistema responde de manera diferente a diferentes frecuencias. Algunos sistemas amplifican la frecuencia de una determinada banda y atenúan las demás. Por lo tanto, la forma en que cualquier salida del sistema se relaciona con la señal de entrada en una frecuencia diferente se define como Respuesta de Frecuencia de ese sistema. En la hoja de datos de TDA2003, se muestra el siguiente gráfico de respuesta de frecuencia entre el valor del capacitor C5 y la respuesta de frecuencia B:
Fig. 11: Gráfico que muestra la curva de respuesta en frecuencia del TDA2003
Dependiendo de la disponibilidad, se utiliza un condensador de 33 nF para C5 y una resistencia de 150 ohmios para R1.
La potencia de salida de este amplificador debe ser de 6 vatios para una carga de 4 ohmios.
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.
Lo ideal es que la potencia de este amplificador sea de 6 Watts. Sin embargo, la carga tenía una impedancia de 4,7 ohmios en lugar de 4 ohmios. Entonces, en la práctica, se observaron las siguientes observaciones:
Fig. 12: Tabla que enumera las características de salida del amplificador de audio para automóvil de 6 vatios
Por lo tanto, la potencia de salida del amplificador fue de aproximadamente 5,75 vatios en lugar de 6 vatios. Esta es una pérdida de potencia tolerable, por lo que el circuito amplificador funciona correctamente. Este circuito amplificador opera a un voltaje de 12 V y tiene características como inversión de polaridad, apagado térmico y protección contra cortocircuitos.
En el siguiente tutorial, se diseñará un circuito amplificador para auriculares comunes.