Diseño de un amplificador de refuerzo de graves – 4/9

En el tutorial anterior, se diseñó un amplificador de potencia de audio de 1 vatio. 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 Bass Boost 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.
En terminología de audio, "graves" es un término utilizado para las frecuencias bajas en señales de audio y "agudos" es un término utilizado para las frecuencias altas en señales de audio. Un amplificador Bass Boost ayuda a amplificar los 'graves' o las frecuencias bajas en la señal de audio para proporcionar graves profundos en la música. Los ingenieros de audio necesitan trabajar en los graves y agudos de las señales de audio para mejorar la calidad del sonido. De hecho, un amplificador de refuerzo de graves no amplifica específicamente señales de baja frecuencia; en cambio, amplifica menos las señales de alta frecuencia en comparación con las señales de baja frecuencia, por lo que el volumen (amplitud) de las señales de baja frecuencia permanece alto en comparación con las señales de audio de alta frecuencia. . Esto hace que las señales de "graves" o de baja frecuencia sean más audibles que las señales de audio de alta frecuencia.
Los amplificadores de refuerzo de graves son los mismos que los amplificadores de potencia, excepto que se les agrega un circuito de refuerzo de graves adicional. Por lo tanto, el amplificador Bass Boost diseñado en este tutorial está construido sobre el mismo amplificador de potencia de 1 vatio diseñado en el tutorial anterior. 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:
– Aumento de graves
– 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 –
Lista de componentes necessários para amplificador Bass Boost
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para el amplificador Bass Boost
Diagrama de bloques -
Diagrama de blocos do amplificador Bass Boost
Fig. 2: Diagrama de bloques del amplificador Bass Boost
Conexiones de circuito –
Este 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.

Imagem típica de conector de áudio de 3,5 mm

Fig. 3: Imagen típica de un 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:

Tabela de listagem de configuração de pinos do IC amplificador de potência de áudio LM386
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 do LM-386
Fig. 5: diagrama de pines del LM386
El IC tiene el siguiente diagrama interno:
Diagrama de circuito interno do IC amplificador de potência de áudio LM386
Fig. 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 IC amplificador de potência de áudio LM386
Fig. 7: Diagrama funcional 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.

Imagem típica do IC amplificador de potência de áudio LM386

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 C8 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.
Imagem típica de alto-falante de 10 Watts e 8 Ohms
Figura 9: Imagen típica de un altavoz de 10 vatios y 8 ohmios

5) Circuito de refuerzo de graves: para LM386, la respuesta de frecuencia del IC se puede controlar conectando componentes adicionales en paralelo a la resistencia de retroalimentación interna. El IC tiene una resistencia de retroalimentación interna de 15 K ohmios conectada internamente entre los pines 1 y 5 del IC. La respuesta de frecuencia del IC se puede cambiar conectando un circuito RC en serie entre los pines 1 y 5 del IC. Si el pin 8 se mantiene abierto, se puede conectar una resistencia de 10 K ohm a 15 K ohm en el circuito RC para un refuerzo de graves de 6 dB. Si los pines 1 y 8 están puenteados por un condensador, entonces se puede conectar una resistencia de 2K ohmios o menos al circuito RC para obtener el mismo refuerzo de graves de 6 dB. En el circuito, una resistencia variable (que se muestra como RV3 en el diagrama del circuito) de 10 K ohmios está conectada en serie con un condensador (que se muestra como C6 en el diagrama del circuito) de 0,033 uF entre los pines 1 y 5 para proporcionar refuerzo de graves.

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.
11. Para el control de graves, utilice siempre una resistencia superior a 2 k cuando los pines 1 y 8 estén en derivación. Pero use 15k cuando los pines 1 y 8 estén abiertos.
Protótipo de amplificador de reforço de graves de áudio de 6 Db
Fig. 10: Prototipo de amplificador de refuerzo de graves de audio de 6 dB
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)
Tabela listando características de saída do IC LM386 com alimentação de 9 V e carga de 8 Ohms
Fig. 11: Tabla que enumera las características de salida del IC LM386 con alimentación de 9 V y carga de 8 ohmios
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.
El circuito RC conectado como circuito Bass Boost es en realidad un filtro de paso bajo. Elimina la mayor parte del ruido que no filtra el condensador de desacoplamiento. Este circuito RC en realidad no ayuda a amplificar señales de baja frecuencia, en realidad permite filtrar las señales de alta frecuencia para que se amplifiquen menos en comparación con las señales de baja frecuencia, de modo que el volumen (amplitud) de las señales de baja frecuencia permanezca alto en comparación. a señales de audio de alta frecuencia. Esto hace que las señales de "graves" o de baja frecuencia sean más audibles que las señales de audio de alta frecuencia.
A baja frecuencia, el condensador C6 tiene una alta reactancia (Xc = ½*Pi*f), por lo que la red RC externa actúa como un circuito abierto. En este caso, el amplificador se comporta como si la red RC no estuviera presente. A alta frecuencia, el condensador C6 tiene una reactancia muy baja y actuará como un cortocircuito. La red RC actúa efectivamente como una resistencia de 10 K ohmios que está en paralelo a la resistencia interna de 15 K ohmios del IC. Por tanto, en lugar de 10K, la resistencia equivalente se reduce a 6K ohmios (15K 10K). Por tanto, hay más retroalimentación en la salida y esto reduce la ganancia del circuito. Por lo tanto, las señales de alta frecuencia se amplifican menos debido a la ganancia reducida. De hecho, en lugar de potenciar las señales de baja frecuencia, esta red RC reduce la ganancia de alta frecuencia. Por tanto, las señales de baja frecuencia se amplifican más que las de alta frecuencia. El refuerzo de graves del amplificador se puede variar ajustando la resistencia variable RV3. A medida que el valor de la resistencia disminuye, los graves se amplifican más en comparación con los agudos del audio.
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.
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:
Gráfico mostrando a resposta de frequência do reforço de graves observada no CRO
Fig. 12: Gráfico que muestra la respuesta de frecuencia de refuerzo de graves observada en el CRO

En la forma de onda de salida, se puede ver que comienza a recortarse en el nivel de 4 V. En la forma de onda, se puede ver que al disminuir la resistencia, las señales de baja frecuencia tienen relativamente más amplificación en comparación con las de alta frecuencia. Entonces el refuerzo de graves funciona bien. Como se omiten los pines 1 y 8, al mantener la resistencia variable RV3 cerca de 2K ohmios, se obtiene un refuerzo de graves más estable.

Por lo tanto, en este tutorial, se construye un amplificador de refuerzo de graves de audio con una potencia de salida de 1 W y una ganancia en el rango de 26 dB a 46 dB. Este circuito amplificador se puede utilizar en altavoces y otros sistemas de audio. El circuito amplificador diseñado en este tutorial es sencillo de construir y de tamaño pequeño. Tiene ganancia variable, control de volumen y función Bass Boost.
En el siguiente tutorial, se diseñará un amplificador de audio para automóvil utilizando IC TDA2003.

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