Aplicaciones lineales del Amplificador Operacional. Mezclador de Audio de tres canales con Amplificador de Potencia de 10W Diana Margarita Jiménez Navarro José Gabriel Del Villar Barón Julio Cesar Castillo Romero Mauricio David Ganem Lopez Profesor: Ing. David Senior Elles. Programa De Ingeniería Eléctrica Y Electrónica Universidad Tecnológica De Bolívar Cartagena, Colombia
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Objetivos. •
•
•
Obtener, acondicionar y amplificar la señal ñal de audio de tres res entr ntrada adas diferen diferentes: tes: micrófo micrófono, no, CD-pla CD-player yer,, MP3-player. Diseñar Diseñar e implementar implementar un mezclador mezclador de audio de tres canales que permita obtener obtener a la salida salida la suma lineal lineal de sus entradas, sin presentar distorsión alguna. Diseñar e implementar un amplificador de potencia clase B de 10W, 10W, alim alimen enta tado do por por una una fuen fuente te dual, dual, para para ampl amplifi ificar car la salid salidaa del del mezc mezcla lad dor de audi audio o y pode poderr ser ser escuch escuchada ada sin distors distorsión ión alguna alguna en un parlante con impedancia de 8Ω.
Funcionamiento El proyecto se basa en la implementación de un mezclador de tres canales con un amplificador de potencia de 10W. Las tres entradas serán:
•
CD- player
•
MP3 -player
•
micrófono.
Dicho mezclador mezclador consta de varias etapas que corresponden en primera instancia a un aco acondic ndicio iona nado dorr de seña señall en cada cada entrada entrada,, el cual proveerá proveerá una ganancia ganancia para amplificar amplificar un poco la señal de entrada y además proporcionar una alta impedancia en la entrada para evitar la atenuación de la señal. Este acondicionador de señal se implementa con un amplificor de alterna que además tend tendrá rá cara caract cter erís ísti tica cass espe especí cífi fica cass en frecuencia para que solo se trabaje con las frecuencias de audio. Cada acond acondici icion onad ador or lleg llegara ara ento entonce ncess a un sumado sumadorr lineal, lineal, el cual cual corresp correspond ondee al mezclad mezclador or del del proyecto proyecto.. La salida salida de este va a la siguiente etapa que corr corres espo pond ndee a un prea preamp mpli lifi fica cado dor, r, implementado por medio de un
amplificador de alterna. Este proporciona una ganancia tal que se den las condiciones necesarias para que el amplificador de potencia trabaje en buenas condiciones. Por ultimo, como se mencionó anteriormente se tiene el amplificador de potencia, el cual se implemento con un amplificador clase AB que tendrá como característica principal una potencia de 10W a la salida y una carga de 8 ohms, proporcionados por el parlante.
Vcc
R3
Q1 NPN
D1
Co
R1
+ D2
Caracterización de la señal de salida del micrófono, CD-Player y MP3-Player.
•
CD player: presento un máximo de voltaje de salida de 0.8Vpp. Su impedancia característica es de 32 ohms.
•
MP3 player: presento un máximo de voltaje de salida de 0.5Vpp. Su impedancia característica es de 32 ohms al igual que el CD player.
•
Micrófono: se utilizo un micrófono dinámico o de bobina móvil, el cual presento un máximo de voltaje de salida de 0.1Vpp. hablando con un tono de voz normal. su impedancia característica es de 600 ohms.
DISEÑO El proyecto se inicio con el diseño del amplificador de potencia clase AB con el fin de conocer cual es el valor pico-pico de voltaje de la señal de entrada que producirá la máxima excursión de salida del amplificador. El diseño a implementar es el que se observa en la siguiente grafica:
Re2
Q2 PNP
Cb Q3 NPN
+
Deacuerdo a las pruebas realizadas en laboratorio, los resultados obtenidos fueron los siguientes:
Re1
R2
U1 VAC
R4
-Vee
Específicamente se desea diseñar un amplificador de potencia clase AB de 10W, alimentado con fuente dual, para amplificar la salida del mezclador de audio y poder ser escuchada sin distorsión alguna en un parlante de 8 Ω. Como la potencia a la salida es de 10W y se usara un parlante de 8 ohms de carga, se puede calcular la alimentación del amplificador por medio de la siguiente expresión:
P O _ MAX
=
P O _ MAX
(V + V ) 2 CC
EE
8 R L (8 R L )
=V +V CC EE
(Vcc + Vee) debe ser de 25.3V, por lo tanto cada fuente es de 12.65V, y se
RL
toman entonces de 18V manteniendo una tensión de tolerancia. Al conectar la carga R L, la corriente de saturación de los transistores se calcula de la siguiente forma:
I C _ SAT
Icsat
=
(V CC + V EE ) 2 R L
=
25.3 16
=
R2 ≤ 0.1*150*56 R2 = 840 ohms. El valor comercial por debajo es 820 ohms, pero por efectos de simulación se toma el valor por debajo más cercano de 820 ohms que es de 680 ohms. Para determinar R1 se hace necesario los siguientes cálculos:
1.58 A
El voltaje por la resistencia R4 es I D R4, por tanto el voltaje en la resistencia R 2 es :
es de 1.58 A, esto se calculo para
valores calculados de VCC y VE, es decir 25.3V. Con este dato se procede al cálculo de la resistencia de polarizacion de los diodos, los cuales en realidad serán transistores con las mismas características de los transistores de potencia. La corriente que pasa por los diodos se toma de un 2% de la corriente de saturación: R3
=
V CC
+ V EE −
2 I D
2V BE
=
18 + 18 − 2.8 0.063
=
526.98
Vr4 = 1.76V VR2 = VR4 + VBE1 = 1.76 + 0.7 = 2.46 V Vr2 = 2.46 V R1
=
[V
Para el cálculo de R4, se asume una ganancia de 10 para el amplificador clase A excitador, sabiendo que el clase B tiene una ganancia de la unidad: R4
=
R3 Av
R4= 56 ohm. El Cálculo de R2 se hace de la siguiente manera:
R2 ≤ 0.1β 3 R4
]
+ V EE × R2
V R 2
− R2 =
(25.3)680 1.76
−
680 = 9.09 K
Se escoge el valor comercial de 10K. Esto para valores calculados de VCC y VEE. •
Esto para valores de VCC y VEE especificados es decir 36V. se escoge para R3 el valor comercial de 560 ohm.
CC
P DQ
La potencia de selección de los transistores es :
=
P O _ MAX 5
=
10 5
= 2W
Se escogen como transistores de potencia el tip142 (npn) y el tip147 (pnp), que corresponde al transistor complementario del tip142. Estos se eligen debido a que manejan una ganancia de corriente de 1000. Para el clase A de excitación se escoge un transistor 2n3904 (npn).
A continuación se presenta la simulación del circuito y los resultados de tensión correspondiente:
A
M
P
L
I
F
I
C
A
D
O
R 1
C
L
0
W
A
S
E
18V
En primera
instancia hay que dejar claro
R3 56 0
Rf Q2 NPN1
Vcc Q1 NPN1
R1 10 K
A
D
A
P
T
A
D
O
R
I
M
P
E
D
A
N
C
I
V6 -1.5/1.5V
D
R1 1 0. 3
E
A
Vi
Ci
Ri
Q3 NPN1
C4 10uF
Ri||Rf
R1 3 8
15kHz R4 56
-18V
Aplicando la formula tenemos que la potencia es por lo tanto:
=
rms
8 R L
=
( 26) 2 64
V o
RL
-
Q5 2N3904
(V ) 2
+
-Vee
Q4 PNP1
R2 68 0
Co +
+ U1
R1 2 0.3
C1 10uF
P O _ MAX
+
=
10.56W
Notamos que la respuesta da con un porcentaje de error del 5.3 %.
que todos los diseños a realizar de ahora en adelante corresponden a amplificadores inversores. Para el preamplificador se ha escogido una ganancia de 1.5, de tal manera que si del sumador proviene una señal de 2Vpp se tendrá un máximo de 3Vpp a la entrada del amplificador, como caso crítico. Además, como el audio se da en un ancho de banda desde los 20hz a lo 20Khz, se diseño este amplificador con frecuencia de corte de 20Hz. Por lo tanto se tiene que:
Deacuerdo a los resultados de la simulación tenemos entonces que la tensión de entrada que produce la máxima excursión de salida es de 3V pico-pico. Además se aprecia que la salida no presenta Crossover.
Av
=
− R f Ri
, como Rf no influye ni en la
ganancia ni la frecuencia de corte, se escoge de 3.3K, y A= 1.5; Por lo tanto Ri es de 2.2K.
Teniendo en cuenta que el MP3 player produce un máximo de 0.5V, el CD player 0.8V y el micrófono 0.1V hay que distribuir las ganancias de las demás etapas de tal manera que se garantice un máximo de 3 V pico-pico en la entrada del amplificador de potencia. Deacuerdo a este orden de ideas la próxima etapa a diseñar es el preamplificador, que corresponde a un amplificador de alterna. Diseño del preamplificador
A: c4_1
Para la frecuencia de corte se tiene:
C o
=
1 2π R L f LCo
=
1 2π 10 K 20 Hz
= 0.8uF
Para el capacitor de entrada, se aleja esta frecuencia una década de la frecuencia de corte, es decir 2Hz. 1 1 = = 36uF C o = 2π R L f LCo 2π 2.2 K 2 Hz Se escoge el valor comercial de 47uF.
15.00 V
5.000 V
-5.000 V
-15.00 V 0.000us
(Ri P Rf) = 1.32K, se escoge el valor comercial de 1.2K.
100.0us
200.0us
300.0us
Si se asume R1=R2=R3= 1k se tiene entonces Deacuerdo a los resultados obtenidos en simulación vemos que se obtuvieron los valores exactos del diseño que se A: c3_2
Rf 0.8 + Rf 0.5 + Rf 0.1 = Rf 0.8 + 0.5 + 0.1 1 K 1 K 1 K 1 K
2 = −
Rf= 1.43K, se escoge el valor comercial por debajo para asegurar que en la salida no se tenga un voltaje mayor del deseado, por lo tanto Rf = 1.2K.
1.500 V
1.000 V
0.500 V
0.000 V 1.000 Hz
10.00 Hz
100.0 Hz
En esta etapa se diseñaron unos acondicionadores de señal entre cada fuente y la entrada del sumador, de tal manera que se obtuviera un acople de impedancia y un filtrado de frecuencia. Estos acondicionadores de señal consisten en unos amplificadores de alterna con una ganancia lo más cercana a la unidad para obtener un valor máximo de 2Vpp a la salida del sumador. El diseño se llevo a cabo de la misma forma del preamplificador y los resultados fueron los siguientes:
1.000kHz
Measurement Cursors 1
c 3_2
X: 20. 013
Y : 1.0606
planteo. Siguiendo el orden de ideas la próxima etapa a diseñar es el sumador. Diseño del sumador
Deacuerdo a la caracterización de las señales, tenemos que el MP3 produce un máximo de 0.5V, el CD player 0.8V y el micrófono 0.1V. Se desarrollara entonces el siguiente diseño: Rf R1
g a n a n c i a
V 1
V6 -1/1V
R2
V 2
d e C2 47uF
R6 2.7K
1 . 2
-18V
R7 2.2K
U1A
U2B R3
15kHz
+
V 3
+ 18V R4 1K
+V
Rf V 1 + Rf V 2 + Rf V 3 R 2 R3 R1
C3 0.8uF
R8 10k
Vout = −
Como se desea que la salida del sumador sea máximo de 2Vpp (como caso critico) y se tienen los valores máximos de entrada de las señales, se cuadran los valores de Rf, R1, R2 y R3. P R E A M P L I F I ( a m p l i f i c a d o r d
g a n a n c i a F c d e 2 0 V6 -1/1V
R6 3.3K
d e 1 . 5 h z . C2 47uF
R7 2.2K
-18V U1A
15kHz
C3 0.8uF
+ 18V R4 1.2
R8 10k
A: c3_2
1.250 V
0.750 V
0.250 V
-0.250 V 1.000 Hz
10.00 Hz
100.0 Hz
1.000kHz
Measurement Cursors 1
c 3_ 2
X: 20 .04 1
Y : 86 8. 42m
Deacuerdo a estos resultados vemos que la ganancia para cada acoplador de señal es de 1.22 debido a que como se escogió una Rf de 2.7K, su valor comercial por debajo es de 2.2K, por lo tanto:
Av
=
− R f Ri
=
2.7 K 2.2 K
continuación se muestra el resultado de la simulación:
= 1.22
Además estos acondicionadores de señal garantizan que la señal no se atenúa debido a que poseen alta impedancia de entrada y las impedancias características de los dispositivos a utilizar es baja con relación a estos valores. El resultado de la simulación sumador completo es el siguiente
V1 V 1.250 -250m/250mV
B: c1_2 C: c5_2 D: u2a_1
R1 32
-18V
R7 2.2K
0.750 V 10kHz
C3 0.8uF
UB
40uF
R5 1K
S U M A D O R D E T R E S C O N A C O P L A M I E N T
+
M 0.250 P 3 V P L A Y E R
R4 1K
18V
2.7K V2
C D
R2 32
-1.250 V 10kHz 0.000us
-18V
R8 2.2K
U1A
40uF
P L A Y E R
C4 0.8uF
+200.0us
100.0us R9 1K
10.00 V
0.000 V
-10.00 V
-20.00 V 0.000us
100.0us
200.0us
300.0us
El control de volumen se hace colocándole un potenciómetro a la entrada de cada dispositivo (mp3, cd y micrófono), esto debido a que un cambio en el valor del potenciómetro, no afecta la ganancia del circuito.
1.2K R17
-0.250 V -0.750 V -400m/400mV
20.00 V
Por medio de esta grafica vemos que para todo el mezclador, la salida a máxima excursión de salida es de 10.56W.
del
R6 2.7K
A: c2_2
A: r13_2
R11 1k
300.0us
-18V U2A
400.0us +
500.0us
18V
18V
Diagrama en bloques del proyecto
R14 2.7k V3 -100m/100mV
R3 600
10kHz
M I C R O F O N O E L E C T R E T
-18V
R12 2.2K 40uF
U1B
C6 0.8uF
Micrófono Electrec +
R13 1K
18V
R15 1k
Acondicionador de señal
Deacuerdo a estos resultados podemos apreciar que la salida del sumador es por lo tanto 2Vpp. Para los máximos valores Acondicionador CD-Player de entrada de señal, así se asegura que el de señal amplificador de potencia no tendrá distorsión en su señal manteniendo la máxima excursión de salida. MP3-
Mezclador de Tres Canales
Preamplificador
Acondicionador
de señal Hasta el momentoPlayer se tiene entonces todos los diseños de las etapas del mezclador. En los anexos se muestra el Figura 1. Mezclador de audio de tres canales ensamble del proyecto como tal. A
Amplificador de potencia
Experimentación y Validación Luego de hacer las pruebas concernientes a cada etapa del mezclador, definidas como el acoplador (primera etapa), mezclador (segunda etapa), preamplificador (tercera etapa) y amplificador clase AB (cuarta etapa) se obtuvieron los siguientes resultados: En primera instancia se hizo un análisis de ganancia para cada etapa, el acoplador fue diseñado para obtener una ganancia de 1.22 pero en la validación experimental se obtuvo una ganancia de 1.2, resultando un %error del 1.66%. En la segunda etapa se comprobó experimentalmente que se estaba efectuando una adición lineal de las señales ya que la amplitud en voltaje a la salida era la suma de los tres voltajes a las entradas. En la tercera etapa se comprobó el resultado que arrojo la simulación, debido a que en el osciloscopio se observo la amplificación
con ganancia unitaria y con la particularidad de que se tiene un alta impedancia de entrada permitiéndonos que a la salida se tenga la señal original. Seguidos a estos acondicionadores se coloca el sumador lineal, el cual recibirá las señales provenientes de los acondicionadores y las sumara de manera lineal, para diseñar este dispositivo debemos tener muy en cuenta la siguiente ecuación:
Rf V 1 + Rf V 2 + Rf V 3 R 2 R3 R1
Vout = −
Donde Vout es la suma de los voltajes de las señales por tal razón en nuestros cálculos utilizamos Vout máximo de 2Vpp y V1, V2 y V3 son los voltajes pico a pico de las señales; R1, R2 y R3 serán iguales y se asumen de 1k y así se obtiene Rf. Luego de tener la suma lineal de las señales, esta pasa a un preamplificador
Experimentación y Validación Luego de hacer las pruebas concernientes a cada etapa del mezclador, definidas como el acoplador (primera etapa), mezclador (segunda etapa), preamplificador (tercera etapa) y amplificador clase AB (cuarta etapa) se obtuvieron los siguientes resultados: En primera instancia se hizo un análisis de ganancia para cada etapa, el acoplador fue diseñado para obtener una ganancia de 1.22 pero en la validación experimental se obtuvo una ganancia de 1.2, resultando un %error del 1.66%. En la segunda etapa se comprobó experimentalmente que se estaba efectuando una adición lineal de las señales ya que la amplitud en voltaje a la salida era la suma de los tres voltajes a las entradas. En la tercera etapa se comprobó el resultado que arrojo la simulación, debido a que en el osciloscopio se observo la amplificación de la señal proveniente del sumador, mas exactamente en una ganancia de 1.5, ya que a la entrada se tenían 2 Vpp y a la salida 3 Vpp, calculando un %error del 0%.
Conclusión A manera general podemos concluir que para el diseño de un mezclador de señal se deben tener en cuenta muchos aspectos que garantizaran un fiel funcionamiento de nuestro dispositivo, dichos aspectos están definidos como etapas, las cuales deben cumplir con un objetivo específico, estas etapas son cuatro específicamente y se denominan así: un acoplador, un mezclador, un preamplificador y un amplificador clase AB (opcional). Los acopladores son los primeros en recibir las señales el objetivo principal de estas es evitar que la señal que llegara al sumador se atenúe, por este motivo estos acondicionadores de señal son amplificadores de alterna
con ganancia unitaria y con la particularidad de que se tiene un alta impedancia de entrada permitiéndonos que a la salida se tenga la señal original. Seguidos a estos acondicionadores se coloca el sumador lineal, el cual recibirá las señales provenientes de los acondicionadores y las sumara de manera lineal, para diseñar este dispositivo debemos tener muy en cuenta la siguiente ecuación:
Rf V 1 + Rf V 2 + Rf V 3 R 2 R3 R1
Vout = −
Donde Vout es la suma de los voltajes de las señales por tal razón en nuestros cálculos utilizamos Vout máximo de 2Vpp y V1, V2 y V3 son los voltajes pico a pico de las señales; R1, R2 y R3 serán iguales y se asumen de 1k y así se obtiene Rf. Luego de tener la suma lineal de las señales, esta pasa a un preamplificador dicho dispositivo se diseña en base al voltaje de salida que necesitamos y a partir de esto utilizamos la ecuación:
Av
=
− R f Ri
Rf se asume de 3.3 k y con el voltaje de salida sobre el voltaje de entrada encontramos la ganancia y de esta forma calculamos Ri; por ultimo la resistencia que esta en la entrada no inversora de este preamplificador será el paralelo de Ri con Rf.
