INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY Laboratorio de Diseño Electrónica

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS
SUPERIORES DE MONTERREY
Laboratorio de Diseño Electrónica
E_00971.2
Prof. Luis Manuel Díaz
Proyecto Final
Cintia Mercado Rodríguez
Daniela Reyes Rivera
Laura Díaz García
461555
461823
453211
28 de noviembre del 2003
Laboratorio de Diseño Electrónico.
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ABSTRACT
El proyecto fue diseñado para implementar una secuencia de encendido y apagado de una
serie de luces que se acoplaría al ritmo de la señal de audio que se escuchará (seleccionará)
dando un efecto de sincronización rítmica.
Al diseñar el circuito electrónico necesario para llevar a cabo el objetivo del proyecto, se
diseño hacer dos bandas de audio, una para los tonos bajos de la señal, y la otra para los
tonos medios. Después de ser filtrada la señal a 250 Hz y 4 KHz, respectivamente, la señal
analógica de audio que se obtenía era canalizada a un buffer 74LS244 para que se generara
una serie de pulsos que activarían un MOC. Éste era la fase final de la etapa de control, y se
utilizó para acoplar las dos etapas de una manera segura. Con el uso del optoacoplador se
garantiza que ambas etapas funcionarán de manera independiente y sin riesgo a afectar una
a la otra sí es que llegase a haber algún daño en ellas.
Finalmente, la serie de focos está conectada a la alimentación de 127 V a 60 Hz de una
manera paralela para no demandar demasiada potencia. El encendido y apagado rítmico
está a cargo de un arreglo de TRIAC, el cual recibe la corriente del MOC cuando éste se
habilita. Con esta corriente entregada (aproximadamente de 24mA) se asegura que el gate
del TRIAC cerrará el circuito de manera alternante para obtener el efecto rítmico que se
necesita.
Durante la implementación del proyecto, nos dimos cuenta que es necesario amplificar el
nivel de voltaje que se obtiene de la toma de audio debido a que la señal sale con valores
promedio de 300 mV, lo cual es un nivel de voltaje muy pequeño para que el buffer pueda
reconocer los cambios de voltaje. Es por esto que la señal se amplificó con una ganancia tal
que se asegurará tener al menos valores máximos de voltaje de 2.5 V a la entrada del buffer
para que éste los pudiera reconocer como un “1” lógico, o un “0” para niveles de voltaje
menores a 0.7V.
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INTRODUCCIÓN
Etapas de diseño del proyecto:
Seleccionar el rango de frecuencias a utilizar para los dos canales, de bajos y de medios.
Rango de frecuencias frecuentemente utilizados para ecualizar las distintas componentes de
frecuencia de una señal de audio:
63 Hz
125 Hz
250Hz
500 Hz
1 KHz
2 kHz
4 kHz
8 kHz
16 kHz
Destaca los sonidos graves masivos como los de tambores,
órganos, etc. Da sensación de grandiosidad
Subiendo da sensación de plenitud. Si bajas aumenta la
transparencia.
Bajando el mando disminuye posible eco.
Aumenta la fuerza del sonido. si se baja da la sensación de que
el sonido no es completo.
Actúa sobre la voz del cantante. se puede dejar casi inaudible
Estimula el oído. Puede dar sensación metálica, entonces hay
que disminuirlo.
Si está muy alto puede dar también sensación metálica y dura.
Aumenta la brillantez de instrumentos de cuerda y viento.
Aumenta la presencia de sonidos sutiles, como platillos,
triángulos, etc.
Las frecuencias a utilizar seleccionadas fueron las siguientes, ya que se consideraron ser
dentro de las más características del audio:
- Canal de Bajos : 250Hz
- Canal de Medios: 4kHz
Seleccionar componentes a utilizar para las distintas etapas del proyecto:
Etapa de amplificación:
- Amplificadores operacionales TL081
Especificaciones del dispositivo:
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Las aplicaciones de estos amplificadores operacionales son amplias en el caso de cuestiones
analógicas. La alta ganancia y amplio rango de voltaje de operación provee un desempeño
mucho más alta en lo referente a integrador, amplificador sumador y aplicaciones generales
de retroalimentación.
Etapa de filtrado:
- Diseño de filtros activos utilizando el CI TL081
Etapa de circuito para el encendido de los focos:
- Dispositivo que toma la señal filtrada y la adapta a un circuito optoacoplador para
el encendido de los focos:
>> Buffer 74LS244
Especificaciones del dispositivo:
Estos buffers octales y dispositivos lineales son designados específicamente para mejorar
tanto el desempeño como la densidad de dispositivos de direccionamiento de memoria de
tres estados, dispositivos clocks, y receptores orientados a bus y transmisores. El
designador tiene la opción de combinaciones seleccionadas de salidas invertidas y no
invertidas, simétricas, entradas activas en bajo y controladas por la salida. Estos
dispositivos se caracterizan por una salida alta en fan-out, un fan-in mejorado, y un margen
de ruido de 400-mV.
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>> Optoacoplator MOC3011
Especificaciones del dispositivo:
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Las series de MOC31XM y MOC302XM son dispositivos de TRIAC aislados de forma
óptica. Estos dispositivos contienen un diodo infrarrojo emisor de GaAs y una luz activada
de silicón con un switch bilateral, que funciona como un TRIAC. Son designados por ser
interfaces entre controles electrónicos y TRIAC de potencia para controlar cargas resistivas
e inductivas para operaciones de 115VAC.
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DESARROLLO

Diseño de los filtros
Las dos bandas seleccionadas para los filtros pasabandas fueron de 250 Hz y de 4 kHz. La
primera banda representa la zona de bajos la cual se caracteriza por destacar los sonidos
tranquilos y disminuye los posibles ecos. La segunda banda, que representa los medios,
resalta los sonidos cuya sensación es metálica y dura. En base a estas especificaciones se
decidió implementar filtros de pasabandas de banda angosta, ya que con estos el ancho de
la banda es menor y se destaca con más claridad las zonas deseadas. Esto se puede ver con
más claridad en el siguiente gráfico:
El diseño que se utilizó para el diseño de los filtros fue el siguiente:
La función transferencia de éste es la siguiente:
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2 RRr C
)
Rr  R
H ( s) 
2 R 2 Rr C 2
2 RRr C
s2 (
)  s(
) 1
Rr  R
Rr  R
s(
En base a esta función y a la ecuación general de un filtro pasabandas que es la siguiente:
s 1
( )
o Q
H (s) 
s
s 1
( )2  ( )  1
o
o Q
Obtenemos las siguientes expresiones que basan el funcionamiento de este filtro:
Rr 
R
2Q 2  1
fr 
0.1125
R
1
RC
Rr
R
0.1591
BC
Con base a esto último, las consideraciones para diseñar el filtro de 250 Hz fueron las
siguientes:
f r  250Hz
cuyo ancho de banda queda establecido por la siguiente expresión:
B
f r 250Hz

 125
Q
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El valor del factor de calidad lo escogimo de dos, debido a que este factor determina la
selectividad de nuestro filtro y, entre más alto sea este valor, la banda de frecuencia es más
pequeña; es decir, más selectivo y de esta manera nuestros filtros detectaban con mayor
fineza y exactitud las bandas deseadas.
El valor de los capacitores y resistencias se obtuvó de la siguiente manera:
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0.1591 0.1591

B
125
si C  0.33F
R  3.857k, 2 R  7.7k
3.857k
Rr 
 551
2(2) 2  1
RC 
Con estos valores se puede armar el diseño del filtro pasabanda. La selectividad que
deseábamos de nuestros filtros se puede visualizar con su respectivo diagrama de bode:
Ahora el siguiente paso es diseñar el filtro de 4kHz, en donde se tomaron las siguientes
consideraciones:
f r  4kHz
cuyo ancho de banda queda establecido por la siguiente expresión:
B
f r 4kHz

 2000
Q
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El valor de los capacitores y resistencias se obtuvó de la siguiente manera:
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0.1591 0.1591

B
2000
si C  0.033F
R  2.4k, 2 R  4.8k
2.4k
Rr 
 344
2(2) 2  1
RC 
La selectividad de este filtro se puede mostrar con el diagrama de bode que presenta:
Con ambos diagramas se puede ver la alta selectividad de los filtros, cosa que era
indispensable para nuestro proyecto.
La siguiente parte del proyecto fue desarrollar un circuito que fuera capaz de convertir las
señales de voltaje, provenientes de los filtros conforme al ritmo de la música, en una señal
luminosa modulada y después volver a convertirla en una señal eléctrica; esta última señal
permitiría encender los focos al ritmo de la música. El integrado que puede desarrollar este
propósito es un optoacoplador, ya que además de cumplir ese objetivo también se
caracteriza por aislar eléctricamente los circuitos de entrada con los de salida.
Antes de poner el optoacoplador era necesario acomodar la señal de tal manera que le
llegaran pulsos ordenados en amplitud, ya que las señales de audio generan ondas muy
distorsionadas y con gran rapidez; por lo que, el optoacoplador no puede detectar con gran
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rapidez los pulsos. Es por eso, que se pone un buffer el cual genera pulsos ordenados y con
la amplitud necesaria para activar el optoacoplador. La unión de estos dos circuitos queda
de la siguiente manera:
Banda de bajos
Banda de medios
En la figura también se puede observar el empleo de un TRIAC, el cual genera la potencia
necesaria y el control para encender los focos al ritmo de la música.
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CONCLUSIONES
 Daniela
La implementación de este proyecto en particular fue interesante ya que se tomaron en
cuenta distintos aspectos, primero que nada se deseaba desarrollar un circuito creativo e
interesante y que tomara en cuenta los conocimientos adquiridos en la materia de las
distintas prácticas llevadas a cabo durante el semestre. La idea era sencilla al principio y se
prosiguió a buscar los circuitos que nos permitirían llevar a cabo cada una de las etapas del
proyecto. Primero buscamos una salida de audio con una calidad promedio, para que el
ruido que esta aportara fuera el mínimo, de aquí que la salida de audio se tomara de un CD
placer, lo siguiente fue amplificar esta salida de audio ya que su valor esta dentro de los
220mV aproximadamente por lo que este valor no sería suficiente para activar los circuitos
siguientes, ya habiendo amplificado la señal a un valor adecuado para las siguientes etapas
se procede a filtrar dicha señal en las frecuencias escogidas. El diseño de los filtros se hizo
tomando en cuenta los conocimientos teóricos y prácticos vistos tanto en este curso como
en otros de la carrera. De aquí lo más difícil fue adaptar esta señal a un circuito que pudiera
de algún modo muestrear la señal de audio filtrada y entregársela al circuito optoacoplador
que activaría los focos que se encenderían al ritmo de la música.
El dispositivo que se implementó en esta etapa fue el buffer que al tomar los niveles altos y
bajos de la señal filtrada va activándose su salida, y de este modo le entrega la señal al
circuito optoacoplador excitando al LED que al final activa al TRIAC que permite ver a la
salida la serie de focos que encienden al ritmo de la música.
La implementación de este circuito no fue tan directa, se hicieron varias pruebas para
encontrar los dispositivos necesarios para las distintas adaptaciones de la señal y aquí es
donde se ponen en práctica los conocimientos adquiridos en la materia.
 Cintia
Durante el desarrollo de esta práctica se pusieron en práctica los conocimientos adquiridos
en la materia. La implementación de cada una de las etapas de este proyecto tuvo que ver
con algunas de las prácticas hechas en clase, que fue lo más importante ya que de este
modo ya sabemos con que estamos trabajando y los resultados que se debían obtener para
cada una de las etapas.
Primero que nada se trabajó en el diseño, en lo que se le haría a la señal para poder
adaptarla a cada uno de los dispositivos que se querían utilizar. Primero se tuvieron que
hacer varias pruebas para ver si la idea que se tenía realmente se podía implementar.
Después de todo esto se obtuvo finalmente lo siguiente:
La primera etapa consiste en amplificar la señal de audio ya que su valor es muy pequeño
para poder activar las demás etapas que le suceden. Después de esto se procede a filtrar la
señal en las frecuencias más características que se eligieron, en este caso para el canal de
bajos fue la de 250Hz y para el canal de medios la de 4kHz. La salida de cada uno de estos
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filtros se introdujo a un buffer para que en cierta forma se muestreara y la salida fuera
entregada a los circuitos optoacopladores, ya que la señal de audio tiene muchas
componentes frecuenciales y sus cambios son un poco abruptos y rápidos por lo que esto no
sería perceptible al final. De este modo el buffer sería capaz de de entregar distintos
valores al MOC que serviría al final para encender los focos.
Cuando finalmente después de todo lo que se realizó y se hicieron las pruebas
correspondientes tanto a cada una de las etapas por separado como a todo el circuito en
conjunto se verificó el buen funcionamiento y eficiencia del circuito.
 Laura
El desarrollo de este proyecto nos permitió unir varios de los conocimientos obtenidos en el
semestre. El primero de ellos fue la realización física de filtros y determinar en la práctica
la frecuencia de resonancia así como el ancho de banda de los mismos. En base a esta
información diseñamos los filtros necesarios de acuerdo a nuestro proyecto. La elaboración
de los filtros nos dio una idea de que tan difícil es diseñarlos con gran exactitud, así como
la gran utilidad que tienen en la mayoría de las aplicaciones actuales.
La segunda parte fue diseñar un circuito que nos permitiera acoplar las frecuencias de la
señal de audio con los focos, además este circuito debía detectar con gran rapidez los
cambios de frecuencias que sufren estas señales. Nuestra primera opción fue utilizar un
convertidor de voltaje a frecuencia, con el cual íbamos a obtener pulsos definidos que
podían encender un optoacoplador y este a su vez dar el voltaje necesario para prender el
gate de un TRIAC y por lo consiguiente nuestra carga deseada (serie de focos). Este
circuito no funcionó como deseábamos, ya al introducirle una señal de audio no detectaba
los pulsos de voltaje con gran rapidez y por lo consiguiente generaba a la salida una señal
distorsionada. Finalmente, se decidió acoplar la señal directamente con un buffer, pero para
esto era necesario amplificar la señal de audio, que es del orden de los “mV” mediante un
amplificador inversor cuya ganancia era de “22”, y una vez obtenido esto introducirla al
buffer el cual genera a su salida pulsos cuadrados con el cual el optoacoplador respondía
sin problema. Una vez que se tuvo esta etapa se conecto el TRIAC junto con la serie de
focos para que estos prendieran al ritmo de la música. Esta última etapa nos dio una clara
idea de la utilidad de la electrónica de potencia y el sin número de aplicaciones que tiene en
la industria.
En general, para el desarrollo de este proyecto utilizamos muchas herramientas vistas en
nuestros cursos de electrónica lo que nos da una gran idea de la basta e interesante
aplicación que tiene esta ciencia en la actualidad.
BIBLIOGRAFÍA
-
Coughlin, Robert F. Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales. 4ª
edición. México, Prentice-Hall Hispanoamericana. 1993.
Hojas de especificaciones de cada uno de los dispositivos. TL081, 74LS244,
MOC3011.
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