AMPLIFICADOR DE AUDIO

Eduardo Israel Brito Vivancoisraedu_18@hotmail.com

Eduardo Luis Campoverde Encaladaeduardce_925@hotmail.com

RESUMEN: El presente trabajo tiene como objetivo, elaborar un amplificador de audio que tenga como entrada la señal proveniente de un jack conectado al celular y como salida un parlante de 5W.

PALABRAS CLAVES Amplificador de audio, amplificador operacional, LM386, parlante.

INTRODUCCIÓNComo parte de la materia de Procesamiento de

Señales Digitales, a continuación se presenta la elaboración de un pequeño amplificador de audio, que tiene como entrada una señal de audio proveniente de un jack conectado al celular y que en base a la utilización del amplificador operacional LM386, se tiene una salida de audio amplificada que es escuchada en el parlante, siendo para este trabajo un parlante de 5 Watts.

FUNDAMNETO TEÓRICO

a. APLIFICADOR OPERACIONAL

El amplificador operacional es un elemento de circuito diseñado para emplearse con otros elementos de circuito y efectuar una operación especifica de procesamiento de señales [1].

El término de amplificador operacional (operational amplifier u OA u op-amp) fue asignado alrededor de 1940 para designar una clase de amplificadores que permiten realizar una serie de operaciones tales como: suma, resta, multiplicación, integración, diferenciación, etc, importantes dentro de la computación analógica de esa época [2].

La aparición y desarrollo de la tecnología integrada, que permitía fabricar sobre un único substrato monolítico de silicio gran cantidad de dispositivos, dio lugar al surgimiento de amplificadores operacionales integrados que desembocaron en una revolución dentro de las aplicaciones analógicas. El primer OA fue desarrollado por R.J. Widlar en Fairchild [2].

Tradicionalmente, un OA está formado por cuatro bloques bien diferenciados conectados en cascada: amplificador diferencial de entrada, etapa amplificadora, adaptador y desplazamiento de nivel y

etapa de salida. Estos bloques están polarizados con fuentes de corrientes, circuitos estabilizadores, adaptadores y desplazadores de nivel [2].

Características de un amplificador operacional ideal [2]:

1) Resistencia de entrada ∞. 2) Resistencia de salida 0. 3) Ganancia en tensión en modo diferencial ∞. 4) Ganancia en tensión en modo común 0______ _____ (CMRR=∞). 5) Corrientes de entrada nulas (Ip=In=0). 6) Ancho de banda ∞. 7) Ausencia de desviación en las características ----------- con la temperatura.

b. APLIFICADOR OPERACIONAL LM386

El amplificador operacional LM386 es un amplificador de poder destinado a ser usado con voltajes bajos a la entrada sin ser interferido en gran parte por el ruido del sistema. La ganancia típica de este amplificador puede ir desde un valor numérico de 20 hasta 200. La ganancia máxima que es de 46dB (200 en valor numérico), se consigue al conectar un capacitor de 10uF entre los pines 1 y 8 del LM386 [3].

En el amplificador operacional LM386, se tienen la entrada no inversora correspondiente al pin 3 y la entrada inversora correspondiente al pin 2; el pin 4, se referencia a tierra (ground) y el pin 6 es de alimentación del amplificador. El pin 5 hace referencia al voltaje de salida del amplificador operacional [3].

Este amplificador operacional se caracteriza por tener una ganancia interna alta, sin la necesidad de un circuito complejo externo a él para conseguir esto. Es usado principalmente como un amplificador para señales de audio por el bajo ruido que permite que ingrese al sistema y por las pérdidas casi inexistentes que se tienen al usarlo.

Figura 1. Amplificador Operacional LM386 [en línea].

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO

La señal de audio de entrada proviene del celular y para ingresarla se utilizó un jack que se conecta al puerto de audio del teléfono, llevando la señal de ingreso al circuito a través de cables de audio.

Ingresada la señal se utilizó un circuito de amplificación que tiene como dispositivo elemental al amplificador LM386. El circuito empleado se vale de capacitores, una resistencia y un potenciómetro, a más del parlante. Ingresada la señal existe un potenciómetro de 100kΩ que es el encargado de variar la resistencia de entrada lo que ocasiona que aumente o disminuya el sonido de la señal de salida. A la salida del potenciómetro se encuentra en serie un condensador cerámico de 100nF, y la salida del capacitor va al pin positivo (pin 3) del amplificador. Los pines 2 y 4 del LM386 van conectados directamente a tierra, mientras que el pin 6 va alimentado a +15V, donde para disminuir el ruido del circuito, se incorporó una fase de filtrado de la alimentación mediante la utilización de un condensador electrolítico de 470uF. El pin 7 va conectado a un condensador de 10uFque se dirige a tierra; mientras que los pines 1 y 8 van conectados por un capacitor electrolítico de 10uF, donde la parte + de éste va al pin 1 y la negativa al 8. La salida del integrado es el pin 5, que se conecta a un filtro analógico compuesto por un capacitor electrolítico de 0,1uF y una resistencia llevada a tierra de 100 Ω. En la salida del filtro se coloca un condensador de 220uF, que a su vez nuevamente filtra la señal de salida del LM386, para ser conectada a la entrada positiva del parlante y mientras que la parte negativa de éste es llevada a tierra.

El parlante empleado para este proyecto tiene como características que su potencia es de 5 Wattas y su impedancia de 8Ω

MATERIALES UTILIZADOSPara el desarrollo de este trabajo utilizamos los

materiales tanto a nivel de hardware como de software:

Hardware

• Osciloscopio (dentro del NIELVIS).

• Multímetro.

• Fuente de poder.

• 1 Amplificador operacional LM386.

• 1 Potenciómetro de 100kΩ.

• 1 Capacitor electrolítico de 470uF.

• 1 Capacitor electrolítico de 2200uF.

• 2 Capacitores electrolítico de 10uF.

• 1 Capacitor cerámico de 100nF.

• 1 Parlante de 5W, 8Ω.

• 1 Resistencia de 100 Ω.

• 1 encapsulado para el LM386.

Software:

• Proteus• ARES

DESARROLLO DEL TRABAJO PRÁCTICO

a. CIRCUITO DE AMPLIFICADOR DE AUDIO

El circuito base que se muestra a continuación,

fue encontrado en la web [4], y a éste se le realizó algunas modificaciones con el objetivo de obtener mejoras.

Figura 2. Diseño base de amplificador de audio [en línea].

b. DISEÑO EN PROTEUS

A continuación se muestra el diseño del circuito con los distintos componentes que ocupamos:

Figura 3. Diseño en Proteus de amplificador de audio

Nota: Entre el pin 6 y alimentación se conectó un capacitor electrolítico de 470uF, encargado de filtrar el voltaje de alimentación. Aunque en el diseño en proteus no se lo incluyó, ya que este programa trabaja en condiciones ideales; sí se lo consideró para el diseño de la PCB.

a. DISEÑO EN ARES

El diseño de la placa del circuito amplificador se lo presenta a continuación:

Figura 4. Diseño de la PCB

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS

a. ANÁLISIS TEÓRICO

Para realizar el análisis de los resultados obtenidos en este trabajo, nos basamos en el datasheet del integrado LM386, donde el voltaje a la salida del pin 5 se encuentra determinado por el capacitor colocado entre los pines 1 y 8 del mismo. Para este caso, entre los pines citados se colocó un capacitor de 10uF lo que ocasiona que teóricamente el voltaje de salida en el pin 5 sea 200 veces el voltaje de entrada. Conocida esta relación procedemos a calcular la función de transferencia del circuito de amplificador de audio.

FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA Y GANANCIA

El circuito del amplificador de audio es:

Figura 5. Amplificado de audio

Sin embargo, para obtener la función de transferencia se toma en consideración los pines habituales. Así entonces:

Figura 6. Esquema para Función de Transferencia

Vb=200 Vin

Vb1C2s+R1+Vb-Vout1C3s=0

200 VinC2s1+R1C2s+(200 Vin-Vout)C3s=0

200VinsC21+R1C2s+C3=VoutC3s

VoutVin=200C21+R1C2s+C3C3

Hs=200C2+C3(1+R1C2s)C3(1+R1C2s)

=2000,1 × 10-6+(220 ×10-6)(1+10-6s)(220 ×10-6)(1+10-6s)

Hs=200220,1 × 10-6+ 220 ×10-12 s220 × 10-6+ 220 ×10-12 s

Hs=200.s+1000454,545s+1000000

Ganancia: Av=200

La ganancia obtenida teóricamente es de 200, es decir, el voltaje de salida será 200 veces el voltaje de entrada.

b. Análisis Práctico

Para comprobar cuál es la ganancia real del amplificador de audio, hemos medido en la práctica tanto el voltaje de entrada como el voltaje de salida. Como voltaje de entrada obtuvimos un valor de 100mV aproximadamente y para el voltaje de salida un valor aproximado de 14V con el potenciómetro en

H(s)

la ubicación máxima para la entrada obteniendo así el valor máximo para la salida; al dividir los valores del voltaje salida para los valores de entrada, se ha obtenido un valor de ganancia de 140 lo cual es mucho menor al valor obtenido en la teoría. La ganancia es bastante elevada pero las variaciones del valor de la ganancia se deben a que en la vida práctica, teniendo una entrada de 100mV se espera una salida de 20V lo cual no va a suceder debido a que la suministración del voltaje al amplificador operacional LM386 es de 15V, por lo tanto el valor máximo de la salida será de 15V – 1V=14V, al tener la entrada de 100 mV se está saturando el amplificador operacional y nos arrojará en la salida el valor máximo que puede arrojar que es el de 14V aproximadamente, es por ello que con el valor máximo en el potenciómetro para la entrada, se escucha algo de ruido en la salida. Esto no sucede con posiciones anteriores para el potenciómetro porque con ello no se consigue la entrada de 100mV sino de menos. El circuito diseñado soportará aproximadamente una entrada de 70mV con lo cual se tendrá una salida de 200(70mV)= 14V que es el valor máximo que el amplificador operacional soporta para no ser saturado.

Finalmente, podemos declarar que el valor teórico con el valor práctico de la ganancia del circuito es válido para nuestra práctica en cuanto el valor de la entrada sea menor o igual a 70mV.

A continuación se muestra imágenes de los voltajes de entrada y salida prácticos del amplificador de audio, obtenidos mediante el osciloscopio del NI ELVIS. En estas imágenes se puede verificar que la ganancia práctica tiende a valores cercanos a 140 veces el voltaje de entrada.

• Vin=92.540mV, Vout=12.319V

Figura 7. Análisis práctico de la ganancia del amplificador

12.133==out

inv V

VA

• Vin=96.056mV, Vout=13.373V

Figura 8. Análisis práctico de la ganancia del amplificador

22.139==out

inv V

VA

CONCLUSIONES:

• Se elaboró un amplificador de audio que tiene como entrada una señal de audio proveniente de un jack conectado al celular y

cuya salida amplificada es escuchada en un parlante de 5W.

• El amplificador operacional utilizado para el desarrollo del proyecto fue el integrado LM386, un amplificador de uso específico para señales de audio por el bajo ruido que permite que ingrese al sistema y por las pérdidas casi inexistentes que se tienen al usarlo.

• En base al capacitor colocado entre los pines 1 y 8 del LM386, la ganancia teórica según el datasheet y la función de transferencia es de 200. Sin embargo, al obtener la ganancia del circuito de manera práctica, se obtuvo valores cercanos a 140 veces el voltaje de entrada; siendo la razón de la discrepancia el voltaje de salida máximo de un amplificador operacional que está dado por el voltaje de saturación que es el voltaje de alimentación menos 1V, es así que al ser el

Vsaturación=14V y la señal de ingreso cercana a 100mV, tanto teórica como prácticamente se van a obtener valores de ganancia Av próximos a 140, puesto que para obtener Av=200 con el Vcc=15V, el voltaje de la señal de ingreso tendría que encontrarse en valores inferiores a 70mV.

• El amplificador de audio realizado tiene una ganancia real cercana a 140 veces el voltaje de la señal de ingreso, es decir, cerca de 43 dB.

RECOMENDACIONES:• Se aconseja colocar un capacitor electrolítico

entre el pin 6 del amplificador LM386 y alimentación para que filtre el voltaje de alimentación, y disminuya así el ruido existente en el circuito.

• Se debe soldar el pin del potenciómetro que va a tierra a una parte metálica del mismo, para evitar que se produzca ruido a la hora de acercar la mano al potenciómetro, evitando que se genere ruido al amplificador.

• Colocar una perilla plástica en la perilla del potenciómetro, para así no producir ruido al circuito al momento de aumentar o disminuir el volumen del amplificador.

REFERENCIAS:[1] SVOBODA Dorf, “Circuitos Electricos”, Editorial Alfaomega, 2006, Sexta Edicion, pag. 194.

[2] “Amplificador Operacional” [en línea], <http://dbelectronica.com.ve/apmlificadoroperacional.html “Amplificador Operacional”>, [Consulta de 05 de julio de 2011].

[3]. “LM386 Low Voltage Audio Power Amplifier” [en líena],<http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/nationalsemiconductor/DS006976.PDF >, [Consulta de 06 de julio de 2011].

[4]. Foros de electrónica-“Amplificador de audio”, [en línea],<http://www.forosdeelectronica.com/proyectos/amplificador-LM386.htm>, [Consulta de 06 de julio de 2011].