UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICOFACULTAD DE INGENIERÍA

DIVISIÓN DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

CIRCUITOS INTEGRADOS ANALÓGICOS

Proyecto #1

Mezclador de Señales

Elaborado por:

Camacho Orea Alejandro Rodríguez Palafox José

Grupo : 04

Semestre : 2014-2

Fecha de entrega: 6 de Marzo de 2014

Calificación obtenida: ___________

Mezclador de señales

El presente proyecto consiste en la elaboración de un mezclador de señales de audio, el cual consiste en un aparato electrónico capaz de controlar el volumen de hasta cuatro señales de audio externas y reproducir la mezcla de dichas señales en una bocina que se encuentra embebida en el aparato.El mezclador tiene tres entradas de audio iguales, usa conectores de 3.5 [mm] para conectar en él diferentes dispositivos reproductores de audio, como celulares, computadoras, iPod y demás aparatos diversos que sean capaces de reproducir música. Cuenta además con un jack de entrada de 6.3 [mm] para conectar un micrófono electret, cuyo funcionamiento se explicará a continuación. Esta cuarta entrada posee internamente una etapa de preamplificación para que la débil señal proveniente de micrófono sea adecuada para entrar al amplificador propiamente.

Componentes empleados:

Fuente de voltaje regulada:I. Transformador de 36 [V] y 2 [A] en el secundario.

II. Un puente rectificador de diodos KBPC1006III. Dos capacitores de 4700 [µF] a 35 [V]IV. Regulador de voltaje positivo L7815V. Regulador de voltaje negativo L7915VI. Switch de encendido/apagado.

Circuito preamplificador del micrófono electret:I. Micrófono electret.

II. Resistencia de 10 [kΩ]III. Capacitor de 0.1 [µF]IV. Regulador de voltaje positivo L7809V. Resistencia de 2.2 [kΩ] para la entrada del preamplificador.VI. Resistencia de 100 [kΩ] para la realimentación del preamplificador

VII. Amplificador operacional TL072cn

Circuito sumador de señales:I. Cinco potenciómetros deslizables (fader) de 100 [kΩ] para controlar el nivel de

señal de cada una de las cuatro señales de audio mas el control maestro de todas las señales.

II. Tres jacks de audio de 3.5 [mm] para las entradas de los reproductores de música

III. Un jack de 6.3 [mm] para la entrada del micrófono electret.IV. Tres resistencias de 330 [kΩ] para la entrada de cada una de las señales

provenientes de los dispositivos reproductores de música al sumador.V. Una resistencia de 1 [kΩ] para la entrada al sumador de la señal preamplificada

del micrófono.VI. Amplificador operacional TL072cn

Etapa de potencia del amplificador de audio:I. Transistor de potencia TIP41

II. Transistor de potencia TIP 42III. Resistencia de realimentación del circuito de 390 [kΩ]IV. Resistencia para ganancia extra de 1 [MΩ]V. Switch activador de la ganancia extra.VI. Capacitor para eliminar componentes de DC de 1000 [µF] a 25 [V]

VII. Resistencia de 8.2 [Ω] a 25 [W] en serie con la bocina, para aumentar la resistencia equivalente en la carga de la etapa de potencia y disminuir corriente circulante.

VIII. Bocina de 4 [Ω] a 225 [W]

Componentes diversos:I. Cajón macizo de madera como gabinete contenedor del circuito.

II. Diversos conectores para comunicar las diversas etapas del circuito

El mezclador de señales a profundidad consiste en un amplificador operacional configurado como un sumador inversor, cada una de las cuatro entradas está conectada en la entrada inversora del amplificador mientras que la entrada no inversora está conectada a tierra. Para la realización del proyecto empleamos un amplificador operacional TL072cn polarizado a +-15 [V], decidimos emplear este amplificador debido a que, en general, sus características nos resultan una ventaja para la realización del mezclador. A continuación pueden verse algunas características eléctricas importantes entre amplificadores operacionales similares, donde se podrá justificar la elección del amplificador TL072cn:

A. TL072 Voltaje de polarización: +-18 V Potencia disipada: 680 mW Voltaje de entrada: +-15 V V OFFSET: 3 a 10 mV I OFFSET: 5 a 100 pA I BIAS: 20 a 200 pA Zi: 1 T Ω Ganancia en lazo abierto 200,000 CMRR: 86 dB BW: - SR: 16 V/µs I SUPPLY: 1.4 a 2.5 mA

B. TL082 Voltaje de polarización: +-18 V Potencia disipada: - Voltaje de entrada: +-15 V VOFFSET: 5 a 20 mV IOFFSET: 25 a 2000 pA IBIAS: 50 a 400 pA Zi: 1 TΩ

Ganancia en lazo abierto 100,000 CMRR: 100 dB BW: 4 MHz SR: 13 V/µs ISUPPLY: 3.6 a 5.6 mA

C. TL052 Voltaje de polarización: +-22 V Potencia disipada: 500 mW Voltaje de entrada: +-15 V VOFFSET: 1 a 5 mV IOFFSET: 20 a 200 nA IBIAS: 80 a 500 nA Zi: 2 MΩ Ganancia en lazo abierto 200,000 CMRR: 90 dB BW: 5 MHz SR: 0.5 V/µs ISUPPLY: 1.7 a 2.8 mA

D. LM741 Voltaje de polarización: +-22 V Potencia disipada: 500 mW Voltaje de entrada: +-15 V VOFFSET: 1 a 5 mV IOFFSET: 20 a 200 nA IBIAS: 80 a 500 nA Zi: 2 MΩ Ganancia en lazo abierto 200,000 CMRR: 90 dB BW: .5 MHz SR: 0.5 V/µs ISUPPLY: 1.7 a 2.8 mA

AMPLIFICADOR PRECIOTL072cn $ 6.897*TL082cn $ 6.034*

TL052 $ 0.9877 dlls = $ 12.84 [pesos]LM741 $ 4.31*

*Precios consultados en http://www.agelectronica.com/Virtual_Shop/index.asp#

Patillaje:

Al tratarse de un amplificador dual, empleamos uno de los amplificadores internos como etapa de preamplificación para el electret y el otro propiamente para el sumador de señales.

Funcionamiento del Electret:

Un material electret (etimológicamente: elektr – “electricidad” y et – del inglés “magnet”) es un material dieléctrico que tiene una carga eléctrica casi permanente. Un material electret genera campos eléctricos externos e internos, es un elemento análogo a un imán permanente.Los electrets, como los imanes, son dipolos. Otra similitud entre ambos materiales son los campos que estos irradian: el material electret produce un campo electrostático alrededor de su perímetro, cuando un imán y un electret están cercanos el uno al otro ocurre un efecto inusual entre ambos, si ninguno de los dos se mueve y solo están cercanos el uno al otro, nada ocurre, mientras que si se comienza a mover el electret cercano a un polo magnético del imán, una fuerza perpendicular al campo magnético es experimentada, empujando al electret en una dirección nuevamente perpendicular a la que se esperaría, fuera su dirección “lógica”, o sea, como si otro imán estuviera presente y fuera este el que empujara al electret en una trayectoria recta.

También existen similitudes entre el electret y el dieléctrico usado en la fabricación de capacitores; la diferencia consiste en que los dieléctricos de los capacitores tienen una polarización inducida que es sólo transitoria, depende de la tensión aplicada, mientras que los dieléctricos con propiedades de electret presentan almacenamiento de carga casi-permanente. Algunos materiales además presentan propiedades ferroelectricas, o sea, reaccionan ante campos externos con una histéresis en su polarización; los materiales ferroeléctricos pueden mantenerse polarizados permanentemente debido a que están en equilibrio termodinámico.

Un electret es un material dieléctrico estable que tiene embebida casi-permanentemente una carga estática (que, debido a la alta resistencia del material, no se perderá hasta por cientos de años).Las moléculas polares del dieléctrico se alinean a la dirección del campo electrostático, produciendo un electret dipolo con una tensión de polarización permanente.

Un micrófono electret es un tipo de micrófono de condensador que elimina la necesidad de una fuente de alimentación usando, como ya se explicó, un material permanentemente cargado. La existencia de esta carga electrostática permite que para alimentar las placas del micrófono ya no sea necesaria una fuente de alimentación para su funcionamiento, sin embargo esta alimentación es requerida para proporcionar energía al preamplificador.Debido a que el diafragma tiene una masa muy pequeña, la respuesta en frecuencia del micrófono es muy parecida a la de un micrófono dinámico (de bobina móvil). En cuanto a su directividad, los micrófonos electret pueden ser omnidireccionales (captación a 360°) o direccionales (captación en un cierto intervalo angular).Las ventajas de un micrófono electret son su robustez, soportan la manipulación del usuario, además de su reducido tamaño, por lo que son empleados en las siguientes aplicaciones:

Como micro de solapa. La mayoría de micrófonos de solapa usados en televisión son del tipo electret. Más aún, cuando su fabricación en masa, permite que su coste sea económico.

Como micrófono de las pequeñas grabadoras portátiles. Como micrófonos para ser pegados a instrumentos específicos, de percusión,

metales, pianos acústicos, cuerdas, etc. Como micrófonos de los teléfonos móviles.

Los micrófonos electret tienen una respuesta en frecuencia bastante buena (50 a 15.000 Hz), aunque lejana de la de los micrófonos de condensador, que son mucho más sensibles en la zona de los agudos). Además, es una respuesta poco plana.

El principal inconveniente que presentan los micrófonos electret es que son muy sensibles a los cambios de humedad y temperatura, lo que junto con el polvo, deterioran su rendimiento con el uso. Cuando un micrófono electret empieza a producir zumbidos (ruidos) inexplicables, es una indicación de que debe ser sustituido, ya que ha terminado su vida activa.

Actualmente la fabricación de los micrófonos electret es ligeramente diferente, una de las placas se elimina del diseño y el condensador se forma por el diafragma móvil y la superficie interior de la cápsula. La capa de material electret está adherida a la cubierta interior frontal y el diafragma metalizado está conectado a la entrada de un transistor de efecto de campo FET en configuración Source común, este transistor sí debe estar alimentado por una fuente de voltaje positivo. Para el circuito típico de un electret debe existir una resistencia que ajusta la ganancia y la impedancia de salida del circuito, además de un capacitor que bloquea la componente de DC.

Diagrama esquemático estructural:

A continuación está el diagrama eléctrico del circuito empleado para el mezclador de señales, acotando y explicando cada una de las partes que lo conforman:

Fuente de alimentación regulada:

El transformador se encarga de bajar la tensión de la línea, de 127 [V] hasta 36 [V], con una corriente máxima de 2 [A], dicha señal alterna entra a un puente rectificador

de onda completa donde los diodos rectifican ambos semiciclos de la señal alterna, después los capacitores, al cargarse, eliminan un cierto nivel de riso en la onda rectificada, mientras que los reguladores mantienen su tensión nominal a su salida, en este caso ambos reguladores entregan +15 [V] y -15[V], voltajes que serán los de operación para el amplificador operacional. Aparecen también dos derivaciones después del puente de diodos, en cada una de esas derivaciones hay +26 [V] y -26[V] que usamos para polarizar los transistores de potencia, de esta forma podemos disponer de una mayor corriente y no depender de la que nos puedan entregar los reguladores a +- 15 [V].

Circuito preamplificador:

Como ya se mencionó, el micrófono electret necesita ser polarizado para su funcionamiento, debido a la existencia de un transistor FET en su construcción, la tensión elegida para dicha polarización fueron 9 [V] obtenidos a partir de un regulador de voltaje positivo L7809, cuya entrada es el voltaje de polarización del amplificador operacional TL072 (+15 [V]). La resistencia RMIC funciona como limitadora de corriente mientras que el capacitor CMIC elimina componentes de DC provenientes de la señal del micrófono. El amplificador está en una configuración inversora con una ganancia de 10, lo cual le dará un nivel bueno a la señal para posteriormente pasar a otra etapa de amplificación, donde se sumará con las otras tres señales de audio. A continuación pueden verse los niveles de la señal antes y después de la etapa de preamplificación:

En la simulación puede verse la diferencia entre ambas señales, la señal de entrada (verde) y la de salida (amarilla), puede apreciarse el efecto inversor del amplificador operacional, además obviamente de la amplificación que experimenta la señal. En la foto de la derecha se pueden verse también ambas señales para una ganancia unitaria.

Posteriormente esta señal es enviada a la etapa de amplificación y mezcla, donde se añadirá a la mezcla total de señales de audio.

Circuito sumador de señales y etapa de potencia

Cada una de las señales que provienen de algún reproductor de música pasa antes de entrar al sumador por un potenciómetro deslizable (fader) para, a través de él, controlar el nivel de la señal de entrada, cada fader está acompañado en serie por una resistencia de 100 [Ω] cuya función es limitar la corriente que pasa por el potenciómetro cuando este se encuentra ajustado a su mínimo valor de resistencia (corriente máxima). Posteriormente cada señal entra a la entrada inversora del amplificador operacional y es amplificada por un factor de 1.18, nivel suficiente para que la suma de señales no saturen demasiado la bocina. La señal que proviene del electret es amplificada de nuevo 10 veces para, de esta forma, poder tener un nivel equivalente a las demás señales de audio cuya amplitud es mayor a la del micrófono. A la salida del amplificador sumador se encuentra otro potenciómetro fader cuya función es controlar el volumen total de la mezcla de las cuatro señales.

Posterior al amplificador de voltaje se encuentra una configuración “Push-Pull” de transistores de potencia, cuya función es amplificar la corriente que estos obtengan de la fuente de alimentación para, combinado con el amplificador de voltaje, obtener una amplificación total de potencia y poder excitar a la bocina y así reproducir los sonidos provenientes de las diferentes fuentes de audio.La configuración Push-Pull consiste en un arreglo de transistores que, para cada semiciclo de la señal alterna, estos “empujan y jalan” corriente proveniente de su fuente de alimentación y la envían a la carga del circuito, que en este caso es una bocina. Debido a que la configuración Push-Pull es una configuración de dos transistores en colector común, este Push-Pull es un amplificador de corriente y por tanto, la corriente a su salida tiene una gran magnitud, razón por la cuál se decidió polarizar al arreglo de transistores con una derivación de la fuente general de alimentación, tomamos el voltaje antes de que éste pasara por los reguladores 7815 y 7915 para de esta manera disponer de una corriente suficiente para entregar a la carga sin forzar demasiado a los reguladores, y destinar su propósito a sólo alimentar al amplificador operacional y al electret.

Conectada a ambos emisores del arreglo de transistores está la resistencia de realimentación, la relación existente entre esta resistencia y las resistencias de entrada al sumador es la que define la ganancia en voltaje que tendrá el sumador, para este caso decidimos establecer una ganancia de 1.18 para las tres señales de audio y una ganancia de 10 para la señal del electret; adicionalmente decidimos incluir una resistencia para ganancia extra, esta resistencia se encuentra en serie con la resistencia de realimentación y está conectada en paralelo a un switch que la activa o desactiva, su valor es 1 [MΩ], por tanto, de ser activada, generaría una ganancia de 4.21 para las señales de audio y una ganancia de 35.64 para la señal del micrófono.

Para finalizar el circuito se encuentra también conectado un capacitor de 1 [mF], la razón de su existencia es para eliminar la componente de DC de la señal resultante de audio y así solo dejar pasar señales alternas que son las que excitarán a la bocina, se escogió tal valor de capacitancia ya que al estar conectado en serie con la línea de transferencia de potencia, se está formando un filtro pasa altas, por tanto si se busca

eliminar componentes de DC (frecuencia = 0 [Hz]), se debe incrementar el valor de C, ya que la frecuencia de corte de un filtro pasa altas es inversamente proporcional al valor de la capacitancia o de la resistencia que conformen al filtro, sin embargo el valor de la resistencia es fijo, ya que se trata de 4 [Ω] de la bocina + 8.2 [Ω] de una resistencia que colocamos en serie con la bocina para disminuir la corriente que pasa por la bocina y evitar que haya alguna falla con la corriente demandada a la fuente. Por tanto, para estos valores de R y de C, la frecuencia de corte del filtro está en 81.96 [Hz]. De todo el rango de audio frecuencia (20 [kHz]), esta frecuencia de corte representa el 0.4% del intervalo de valores, por tanto consideramos el valor de la capacitancia adecuada.

Imágenes documentales de la realización del proyecto: