Generadores de señales acústicas

Equipos de sonido. Análisis de circuito. Fases. Amplificadores operacionales. Características y clases. Alimentación. Comparador. Filtros. Altavoces

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ANALISIS DEL CIRCUITO

'Generadores de señales acústicas'

Se trata de un generador de señal acústica, es decir, queremos hacer sonar un altavoz a partir de un pulsador, y pudiendo variar el tono.

En este circuito vamos a utilizar:

-amplificador operacional TDA 2030

-resistencias

-condensadores polarizados

-condensadores no polarizados

-potenciómetro

-altavoz dinámico

-fuente de tensión continua que varia entre 4 y 20 V

-pulsador

El amplificador lo usaremos como un oscilador, como un generador de onda cuadrada concretamente

El uso de condensadores polarizados y no polarizados se debe simplemente a que a partir de una determinada capacidad los condensadores son polarizados.

He dividido el circuito en diferentes fases:

Fase 1-

Un filtro formado por el condensador C4, este lo que hace es depurar la señal continua de alimentación, haciéndola lo mas perfecta posible, también actúa como filtro pasa bajo, aunque el fin de este pasa bajo es el mismo, depurar la señal de alimentación, ya que solo permitirá el paso de una señal que no exceda un máximo, las V que superen este mas, simplemente no pasaran.

Fase 2-

El condensador C1, el cual se utiliza para eliminar la señal de rizado procedente de la propia fuente de alimentación (circuito de desacople). Normalmente en la fuente hay una serie de distorsiones, ruido, que hacen que la señal que suministra no sea del todo perfecta, con este condensador lo que hacemos es eliminar el posible ruido (la tensión de rizado) que entre desde la fuente

Fase 3-

Divisor de tensión formado por las resistencias R1 y R2. Poniendo a estas dos resistencias el mismo valor a cada una, dejamos una tensión de entrada al amplificador de la mitad de la de alimentación, con esto conseguimos una oscilación igual en su ciclo positivo que en el negativo, es mas esta alimentación es la ideal para un oscilador.

Fase 4-

Realimentación positiva, a trabes de R3, y realimentación negativa a trabes del pulsador, P1 y R4. Aquí se encuentra la el verdadero funcionamiento del circuito, es la conexión del amplificador como generador de onda cuadrada. Este tipo de conexión une varios funcionamientos: como oscilador y como comparador.

El funcionamiento es el siguiente: a la entrada de la Terminal positiva del a.C. tenemos una V de Vd. /2, la corriente pasa a trabes de R3, y hace que se cargue C3. Dicho condensador una vez cargado no dejara pasar la señal continua, y a su vez no se descargara al tener C3 una V de Vd. /2, y no haber diferencia de tensión entre el este y la Terminal positiva (se entiende que a trabes de R3 ya no pasa ninguna corriente). Hasta aquí y con el pulsador sin activar no pasaría nada mas (el altavoz no emitiría ningún sonido).

Una vez activamos el pulsador, C3 empezara a descargarse actuando axial como fuente y cargando C2, a trabes de R4. En esencia el funcionamiento es el siguiente, por las propias asimetrías del circuito o del operacional, una de las entradas del operacional tendrá más tensión que la otra, lo que hará que en cuanto se conecte la alimentación entre en saturación. Si el a.C. está saturado positivamente(ya que la señal entra a trabes de la Terminal positiva), C2 se cargará a trabes de R4. Esta tensión de C2 se compara con la tensión en R2 (que es Vcc/2) de forma que cuando la tension del condensador numero2 llegue a igualar a la tensión en R2 el A.O. (comparador) se equilibrara ,Ventre+-=0V,(tension entre terminales) con lo que aplica 0V al terminal no inversor y como en el inversor hay una tensión (proveniente del condensador) positiva el operacional satura inmediatamente a negativo, estableciéndose una proceso de descarga y carga en sentido contrario del condensador, hasta que VC llega de nuevo a igualar la tensión en R1, momento en que el comparador se equilibra de nuevo Ventre+-=0V, y como consecuencia se comparan los 0V en la entrada no inversora con la tensión negativa de C2 en la inversora, lo que hace que el A.O. sature a positivo. Se inicia así un nuevo ciclo en el que se vuelve a repetir el proceso anterior y sucesivamente la Ventre+- pasará de la saturación positiva a la negativa, con lo que la onda resultante será una onda cuadrada. En resumen con el pulsador accionado hacemos que el A.O cree una onda cuadrada, gracias a ir cambiando lo valores de V de la terminal negativa ( mediante el comparador).

Ahora en la salida del A.O tenemos una señal cuadrada

Fase 5-

Activacion del altavoz: como ya he dicho el condensador solo permitira el paso de señales con cierta frecuencia( a una señal continua no le permitiria el paso), cuanta mayor frecuencia tenga la señal de entrada al condensador, menor sera la impedancia de entrada a este( menor resistencia opondra al paso de la señal).Como el A.O ha creado una señal cuadrada( con frecuencia) pasara a traves del condensador y hara que el cono del altavoz vibre y suene.

Fase 6-

Control de tono: esto lo haremos a traves del potenciometro P1, al variar la tension de entrada a los condensador hacemos que los ciclos de carga y descarga de estos cambien , con lo que las oscilaciones de positivo a negativo se produciran mas o menos rapido, con esto conseguimos que la frecuencia de la señal cuadrada varie. Al entrar en el altavoz una señal con distinta frecuencia el sonido que emitira sera mas o menos agudo dependiendo de la frecuencia sea mayor o menor, a mayor frecuencia mas agudo sera el sonido.

Una vez soltemos el pulsador el altavoz dejara de emitir sonido.

Posibles fallos:

-que el C3 no filtrara la señal continua: esto haria que el cono se quedara en una unica posición con lo que no vibraria y no emitiria sonido alguno

-que C1 y C4 no depuraran y filtraran bien la señal de netrada, con lo que en el altavoz se escucharian interferencias

A continuación paso a dar información de los circuitos , aparatos, etc, que se han utilizado en el circuito:


-AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Si existe un elemento estrella en los sistemas electrónicos analógicos ese elemento es sin duda el amplificador operacional. Con él podremos amplificar señales, atenuarlas, filtrarlas, etc. Los sistemas de control analógico encuentran en el amplificador operacional un elemento de conmutación sumamente simple e incluso años atrás fue empleado para el diseño de computadoras analógicas (de ahí el nombre de operacionales).

EL MODELO IDEAL

Un amplificador operacional es un dispositivo electrónico activo siendo capaz de ofrecer una tensión de salida en función de una tensión de entrada. Vamos a considerar única y exclusivamente el amplificador operacional ideal, que aun no existiendo en la vida real, es una aproximación muy precisa y perfectamente válida para el análisis de sistemas reales. Un amplificador operacional presenta cinco patillas. Dos de ellas son las entradas del dispositivo; la primera de ellas llamada entrada inversora se halla indicada en los esquemas con un signo menos, la otra denominada entrada no inversora se indica mediante un signo más. Otro de las patillas del amplificador operacional corresponde a la salida del dispositivo mientras que las dos restantes corresponden a la alimentación requerida por el dispositivo (±Vcc).

Características teóricas:

  • Ancho de banda infinito (podemos trabajar con señales de cualquier frecuencia).

  • Tiempo de conmutación nulo

  • Ganancia de tensión infinita.

  • Impedancia de entrada infinita.

  • Impedancia de salida nula.

  • Corrientes de polarización nulas.

  • Tensión de desplazamiento nula (si bien no es estrictamente cierto, diremos que la diferencia de potencial entre las entradas inversora y no inversora nula).

  • Margen dinámico ±Vcc (la tensión de salida puede a nivel teórico alcanzar el valor de la tensión de alimentación, en la práctica se aproxima pero no puede ser igual ya que se producen saturaciones en el dispositivo).

Formas de conexion en los A.O:

-Amplificador inversor

-Amplificador no inversor

Este circuito presenta como característica más destacable su capacidad para mantener la fase de la señal.

'Generadores de señales acústicas'

-Amplificador mezclador o sumador

-Circuito seguidor

Tipos de A.O y sus caracteristicas

LM741

Este dispositivo es un amplificador de propósito general bastante conocido y de uso muy extendido. Sus parámetros son bastante regulares, no teniendo ninguno que sea el mejor respecto a los de los demás, pero en conjunto presenta una alta impedancia de entrada, pequeños offset (de corriente y de voltaje) en la entrada y buenos parámetros.

LM725

Este amplificador es un modelo bastante similar al LM741, pero que mejora bastantes de sus parámetros. Tiene unos valores para la corriente y el voltaje de offset de entrada menores, su corriente de polarización también es menor y su CMRR más elevado. Sin embargo, la impedancia de entrada de este dispositivo es inferior a la que presenta el LM741.

LF411

Este dispositivo posee excelentes parámetros. Tiene uno offset de entrada y una corriente de polarización de valores muy bajos. Además su impedancia de entrada es la más elevada de todas (junto con el MAX430). Es uno de los amplificadores operacionales de National Semiconductors para aplicaciones de máxima precisión.

OPA124

Este chip es el que presenta los valores más bajos de corriente offset de entrada y de corriente de polarización de entrada. Posee una impedancia de entrada elevadísima, la cual se presenta como una resistencia en paralelo con un condensador. Es uno de los mejores amplificadores operacionales que he analizado.

NE5533

Este chip es el que posee (a nivel general) peores prestaciones de todos los amplificadores que se encuentran en el estudio. Su impedancia de entrada es la menos alta de todas y su corriente de polarización la más elevada. Es un amplificador para aplicaciones en las que no se requiera de alta precisión.

NE/SE5532

Este dispositivo está diseñado a partir de dos amplificadores operacionales con alta ganancia que se colocan de manera opuesta para presentar compensación en los parámetros. También está pensado para que pueda operar en un rango amplio de voltajes de alimentación. Posee el bandwith (ancho de banda) más alto de todos los amplificadores que se han analizado.

NE/SE5514

Este dispositivo se presenta como un amplificador operacional para aplicaciones con altas exigencias. Presenta una corriente de polarización bastante baja y unas corrientes y voltajes de offset con valores también bajos. La impedancia de entrada de este dispositivo es una de las más altas de todos

los amplificadores que he analizado y por ello este dispositivo es apropiado cuando trabajemos con un elemento que disponga de una impedancia de salida muy elevada.

NE/SE5230

Este amplificador operacional presenta una característica diferenciadora respecto al resto de amplificadores y que no está mostrada en la tabla, la cual consiste ven que está especialmente diseñado para trabajar con voltajes de alimentación muy bajos. De este modo este operacional se puede alimentar con ±18V o con ±1,5V.

Otros amplificadores, con tensiones de alimentación tan bajas no pueden funcionar correctamente, por lo tanto este dispositivo es ideal cuando haya que utilizar un amplificador operacional en una placa en la cual se quiera utilizar un mismo voltaje (por ejemplo niveles TTL) para alimentar toda la circuitería. Sus parámetros son en general buenos presentando pequeños valores de offset a la entrada.

NE/SE532

Este chip posee buenos parámetros, pero dos de ellos destacan sobre los demás. Es el amplificador con mayor rango de voltaje de entrada ±16 V y también es el que posee mayor límite en la corriente de salida. Este amplificador puede atacar cargas con un valor de corriente casi el doble a la de otros amplificadores.

MAX430

Este amplificador presenta unos parámetros que le acercan a los de los amplificadores de instrumentación. Esta diseñado para presentar una alta precisión.

Posee el valor de offset de entrada más bajo de todos los amplificadores y también los valores más altos de rechazo al modo común CMRR y al voltaje de alimentación PSRR. También cabe destacar que posee la impedancia de entrada más alta de todos los amplificadores, y aunque el fabricante presenta este dispositivo como un amplificador operacional, su estructura tal vez esté compuesta por tres operacionales como los amplificadores de instrumentación.

MXL1001

El fabricante presenta a este dispositivo como un amplificador operacional de precisión. Posee muy buenos parámetros y cabe destacar que es el dispositivo con uno de los mayores rangos de voltaje de entrada (±14 V). Me ha llamado la atención que en la documentación técnica de este sensor, el fabricante aporta una imagen ampliada del diseño PCB que posee el amplificador operacional internamente y señala sobre el dibujo los diferentes lugares desde donde surgen los pines hacia el exterior del chip.

TDA2030

El TDA2040 es un circuito integrado muy común en equipos de audio domésticos por su excelente calidad de sonido y por su facilidad de empleo.

La tensión positiva ingresa por el pin 5 mientras que la negativa lo hace por el 3. Entre cada vía de alimentación y masa se deberá colocar un capacitor electrolítico de 220µF junto con otro en paralelo, cerámico, de 100nF. De esta forma se efectúa un correcto desacople y filtrado de la fuente.

Es muy importante equipar al chip con un adecuado disipador de calor, aunque en el circuito dado no lo tenga seria recomendable ponerlo.

ALIMENTACION EN AMPLIFICADORES OPERACIONALES

'Generadores de señales acústicas'

La figura muestra el símbolo electrónico típico de un amplificador operacional. En este ejemplo, los pines 4 y 11 son de alimentación. Un amplificador operacional se puede alimentar con tensión sencilla o con tensión simétrica. La tensión sencilla consiste en alimentar con dos cables, uno el positivo y el otro masa (que es la alimentación que utilizamos en el circuito del generador de señal acustica). La tensión simétrica consiste en alimentar el circuito con tres cables, uno el positivo, otro el de masa y otro el negativo, con la misma tension que el positivo pero negativa (por ejemplo ±12)

La diferencia entre usar un tipo o el otro de alimentación está en lo que queramos obtener en la salida: si en la salida queremos obtener tensiones positivas y negativas tendremos que usar la alimentación simétrica, si solo queremos obtener tensiones positivas podemos usar alimentación simple. También tendrás que tener en cuenta que ni las entradas ni las salidas del operacional podrán sobrepasar los límites marcados por la alimentación, es decir, si alimentas a 12 V no esperes obtener 15 voltios a la salida.

Amplificadores operacionales( A.O) en comparador

Este circuito tiene dos terminales de entrada (inversor y no inversor) y un terminal de salida. Cuando la tensión de la entrada no inversora (entrada +) es mayor que la de la entrada inversora (entrada -) el comparador produce una tensión de salida de nivel alto. Cuando la tensión de entrada no inversora es menor que la de la entrada inversora, el comparador produce una tensión de salida de nivel bajo.

La manera mas sencilla de construir un comparador consiste en conectar un amplificador operacional sin resistencias de realimentación. Tal y como se muestra en la figura:

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Un operacional testea la tensión en la entrada +, le resta la tensión de la entrada - y el resultado lo multiplica por un número muy grande para sacarlo después en forma de tensión por la salida: Existe una tensión máxima de salida del operacional de la que nunca pasará. A esta tensión se le llama "tensión de saturación" (Vsat)

Esta tensión de saturación vendrá determinada por la tensión de alimentación y por el tipo de operacional que se utilice, como en este circuito utilizamos el TDA2030, este valor viene en la hoja de caracteristicas que adjunto.

Vref = Vcc * {R1 / (R1+R2)}

Cuando la tensión de entrada Vin sea mayor que la de referencia => Vin - Vref dará un número positivo y por lo tanto la tensión de salida estará a nivel alto (cercano a 12 voltios)

Cuando la tensión de entrada Vin sea menor que la de referencia => Vin - Vref dará un número negativo y por lo tanto la salida estará a nivel bajo (cercano a 0 voltios)

-Filtros

Los filtros sirven para poder dejar pasar un determinado rango de frecuencias, con lo que atenua las demás frecuencias que se presenten. Los cálculos para obtener las frecuencias se encuentran en la zona de descarga (en filtros).

Filtro paso bajo Segundo orden:

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La característica de este circuito es que las frecuencias inferiores a la de la frecuencia de corte (fo) mantiene la ganancia del circuito. A las frecuencia superiores de la de corte disminuye la ganancia del circuito.

inferiores a la de corte, disminuye la ganancia del circuito.

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'Generadores de señales acústicas'

-Altavoces

Un altavoz es un transconductor electroacústico que transforma energía eléctrica en acústica.

Esta transformación no se lleva a cabo directamente. Primero, estos dispositivos transforman la energía eléctrica en mecánica y luego la energía mecánica en acústica.

Partes de un altavoz

Según las características anteriores podemos diferenciar las partes del altavoz en:

* Parte electromagnética: constituida por el imán y la bobina móvil. En esta parte, la energía eléctrica llega a la bobina móvil situada dentro del campo magnético y por eso se produce el movimiento de la bobina móvil

* Parte mecánica: formada por el cono y su suspensión. Sobre el cono está montada la bobina móvil, la que al moverse arrastra al cono y lo hace vibrar.

* Parte acústica: es la que transmite al recinto de audición la energía sonora desarrollada por el cono.

Funcionamiento de los altavoces dinámicos.

El imán permanente, cuyo núcleo se introduce en parte dentro de una bobina móvil, es quien transforma la energía eléctrica en mecánica en un altavoz dinámico.

Según sea el valor de la corriente AC aplicada a la bobina móvil, se creará un flujo magnético variable en esta, cuya intensidad dependerá de la citada corriente. Como la polaridad del imán no cambia, la bobina móvil será atraída o repelida por el imán, produciéndose la vibración de la bobina de acuerdo con la corriente. La bobina arrastra al cono, haciendo este las compresiones y depresiones del aire en una u otra cara del cono.

Características técnicas de un altavoz

Un altavoz debe seguir ciertas características, dependiendo de su función. Las más importantes son:

1- Impedancia.

2- Frecuencia de resonancia.

3- Respuesta de frecuencia.

4- Potencia admisible.

5- Directividad.

6- Resistencia de la bobina móvil.

7- Campo magnético del imán permanente.

Potencia admisible: La potencia admisible de un altavoz es el valor máximo de potencia que puede aplicarse al dispositivo, durante un corto período de tiempo, sin que este se dañe .Esta potencia no es igual a la potencia de régimen (potencia máxima que puede aplicarse al altavoz de forma continua).

La potencia de un altavoz depende de sus dimensiones y forma constructiva.