PF-Informe.

EL3001 – Análisis y Diseño de Circuitos Eléctricos
Preinforme
Saturación Controlada de una
Onda de Audio
Profesor de Cátedra:
Profesores Auxiliares:
Ayudantes:
Pablo Estevez
Jaime Arevalo
Rafael Rodriguez
Alexis Apablaza
Catalina Elzo
Felipe Arraño
Grupo :
Alumnos:
Fecha:
Jorge Vergara
Wladimir Celedon
13
César Diaz
Pablo Cabello
29/04/2012
Índice de contenidos
1.
Introducción:........................................................................................................................................ 6
2.
Marco Teórico...................................................................................................................................... 7
2.1.
Componentes Eléctricos Activos: ........................................................................................ 7
2.1.- a) OPAMP’s: .............................................................................................................................. 7
2.2.
Componentes Eléctricos Pasivos ......................................................................................... 9
2.2.- a)
2.3.
Resistencias .................................................................................................................... 9
Componentes Electrónicos: ................................................................................................ 11
2.3.-a) Diodos ................................................................................................................................... 11
2.4.
Otros ............................................................................................................................................ 13
2.4.- a) Leyes de los Circuitos .................................................................................................... 13
2.4.- b) Señales de audio .............................................................................................................. 14
2.4.- c) Conectores de Audio , “Jacks” .................................................................................... 15
3.
Especificaciones ................................................................... Error! Bookmark not defined.
4.
Elementos y sus Precios ................................................... Error! Bookmark not defined.
5.
Diseño del circuito .......................................................................................................................... 17
6.
Análisis y simulación ......................................................... Error! Bookmark not defined.
6.1.
Análisis por Bloque .................................................... Error! Bookmark not defined.
6.1.- a) Etapa de amplificación (Bloque 1) .............. Error! Bookmark not defined.
6.1.- b) Etapa de recorte (Bloque 2)............................ Error! Bookmark not defined.
6.2.
Simulacion ..................................................................... Error! Bookmark not defined.
6.2.- a)
Simulación TINA ............................................ Error! Bookmark not defined.
6.2.- b)
Simulación LTSpice....................................... Error! Bookmark not defined.
7.
Conclusión.......................................................................................................................................... 19
8.
Bibliografía ........................................................................................................................................ 20
8.1.
Fuentes: ...................................................................................................................................... 20
8.2.
Datasheet:.................................................................................................................................. 20
Índice de figuras
Amplificador no inversor. ........................................................................................................................ 8
Aproximación de un OPAMP .................................................................................................................. 7
Diagrama de pines del UA741CN .......................................................................................................... 8
Código de Colores ....................................................................................................................................... 9
Potenciómetro........................................................................................................................................... 10
Representación de un Potenciómetro ............................................................................................. 10
Comportamiento de un Diodo ante ambas polarizaciones ...................................................... 11
Curva característica de un diodo 1N4148 ...................................................................................... 12
Señal entregada por una guitarra al momento de ser producida. ........................................ 14
Señal entregada por una guitarra un segundo después de ser producida. ....................... 14
Jacks de Audio ........................................................................................................................................... 15
Esquematico del Circuito Diseñado. ..................................... Error! Bookmark not defined.
Bloque 1. .......................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Bloque 2. .......................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Circuito Simulado en TINA ....................................................... Error! Bookmark not defined.
Primera simulación en TINA. .................................................. Error! Bookmark not defined.
Segunda simulación en TINA. .................................................. Error! Bookmark not defined.
Tercera simulación en TINA. ................................................... Error! Bookmark not defined.
Esquemático Simulación LTSpice. Potenciómetro al 80%Error!
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Señal de salida Simulación en LTSpice. Potenciómetro al 80%Error! Bookmark not
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Esquemático Simulación LTSpice. Potenciómetro al 20%.Error!
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Señal de salida Simulación en LTSpice. Potenciómetro al 20%.Error! Bookmark not
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Índice de tablas
Valores Máximos de Funcionamiento de los elementos a usar.Error! Bookmark not
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Precio de los elementos utilizados ........................................ Error! Bookmark not defined.
Componentes del Bloque 1 .................................................................................................................. 18
Componentes del Bloque 2 .................................................................................................................. 19
1. Introducción:
En este Proyecto se busca analizar el comportamiento de un circuito que
permita saturar de forma controlada una onda de sonido, para esto se diseño un
circuito que se comprobó cumpliera con las características pedidas para este
mediante análisis teoricos y simulaciones hechas en TINA/LTSPICE de modo de
obtener los valores de Voltaje y la forma de las señales entregadas, estos análisis se
pueden encontrar en el informe previamente entregado, para este informe se
utilizaran tales datos, y datos medidos del circuito real que se construyo en las
sesiones de laboratorio. Este informe contendrá datos respecto al funcionamiento del
circuito real, junto a instrucciones de cómo se puede contruir el circuito, posibles
errores a la hora de construirlo y mejoras o correciones que se pueden incluir para
mejorar el funcionamiento del circuito.
INCLUIR ALGO RESPECTO A LA SATURACION CONTROLADA
2. Marco Teórico
2.1.
Componentes Eléctricos Activos:
2.2.
2.1.- a) OPAMP’s:
Para analizar circuitos, se trabaja con una
aproximación al funcionamiento de los OPAMP,
esta aproximación dice que las patillas de entrada
inversora y no-inversora están conectadas
internamente por una impedancia de gran valor,
por tanto las corrientes de entrada en ambas
Figura 1: Aproximación de un OPAMP
patillas tienden a 0. Por otro lado, se modelara la
salida del OPAMP como una fuente dependiente
de voltaje en serie con un una impedancia de valor muy bajo, tendiendo a 0.
Usando tales aproximaciones se pueden encontrar configuraciones de
OPAM que se utilizaran en el trabajo del laboratorio, en especifico para este
proyecto se utilizara la configuración conocida como “Amplificador No
Inversor”, que se puede ver en detalle en la siguiente ilustración:
Figura 2: Amplificador no inversor.
Para esta configuración de OPAMP se cumple la siguiente relación:
𝑉𝑜𝑢𝑡⁄ = 1 + 𝑅𝑓⁄
𝑉𝑖𝑛
𝑅𝑖𝑛
Se debe notar que el integrado con el que se trabajo en el laboratorio
corresponde al UA741CN, que posee 8 patillas, de las cuales 2 corresponden a
alimentación, 2 a las entradas (Una inversora y otra no-inversora), 1 correspondiente
a la salida del OPAMP y 3 que no se utilizaran, la distribución de estas se puede ver en
esta ilustración:
Figura 3: Diagrama de pines del UA741CN
2.3.
Componentes Eléctricos Pasivos
Los Elementos pasivos son aquellos elementos que no entregan energía a los
circuitos en los que están presentes, entre estos componentes se puede encontrar:
2.2.- a)
Resistencias
Las Resistencias son elementos pasivos de 2 patillas que, debido a sus
propiedades, disipan Potencia de los circuitos en forma de calor,
provocando una caída de tensión. La Ley que rige el comportamiento de
este componente se conoce como la ley de Ohm, y se expresa
matemáticamente como 𝑉 = 𝐼 ∗ 𝑅
Existen resistencias con distintos valores de resistencia, variando desde
unos pocos Ω a varios 𝑀Ω, con tal de identificarlas las resistencias tienen
bandas de colores impresas, estas bandas corresponden a un codigo de
colores que indica tanto su valor de resistencia como el “margen de error”
de esta.
Figura 4: Código de Colores
2.2.- b)
Potenciómetro
Los potenciómetros son elementos de
3 patillas, que básicamente se puede
decir que corresponden a resistencias
que pueden cambiar su valor de
resistencia entre 2 de sus patillas
contiguas.
Figura 5: Potenciómetro
Si bien entre las 2 patillas de los extremos la resistencia es fija, se puede
ver que la resistencia entre la patilla b y a (o entre las patillas c y a) varia
con un factor 𝛼, factor que depende del ángulo con que se gire su eje
(Visible en la siguiente ilustración).
Figura 6: Representación de
un Potenciómetro
2.3.
ComponentesElectrónicos:
2.3.-a) Diodos
Los diodos corresponden a elementos que permiten el paso de corriente
en una sola dirección. Estos componentes están formados por 2
semiconductores, uno dopado con un elemento que posee una mayor cantidad
de electrones en su capa de valencia (conocidos como semiconductores de Tipo
N), y otro dopado con un elemento que posee una menor cantidad de
electrones en su capa de valencia (conocidos como semiconductores de tipo P),
entre ambos tipos de semiconductores se forma una unión llamada unión NP.
Figura 7: Comportamiento de un Diodo ante ambas polarizaciones
Para este informe se utilizo un modelo para el comportamiento de un
diodo real regido por la siguiente ecuación:
𝐼 = 𝐼𝑜 ∗
𝑉
𝜑
(𝑒 𝑡
− 1)
Donde:
-𝑉: Corresponde al Voltaje entre los terminales del diodo.
-𝐼𝑜 : Corresponde a la corriente inversa en que satura la unión NP
-𝜑ţ : Corresponde al potencial termico
En el caso del diodo que se utilizo en este laboratorio, el 1N4148, vemos
que tal ecuación nos da una curva característica de la siguiente forma:
Figura 8: Curva característica de un diodo 1N4148
La cual, si bien se comporta aproximadamente como el modelo ideal
para valores que no estén entre los 0,4 [V] y los 0,6 [V], entre estos
valores, existe un estado transición entre los estados de conducción y de
no-conducción del diodo, en el cual la curva adquiere un carácter
exponencial.
2.4.
Otros
2.4.- a) Leyes de los Circuitos
Con tal de modelar el comportamiento de los distintos circuitos existen
2 leyes, conocidas como las Leyes de Kirchhoff, una para los voltajes y otra
para las corrientes.
-Ley de Voltaje de Kirchhoff
Esta ley plantea que, para todo Bucle cerrado de un circuito la suma de
las caídas de tensión de los elementos que están en ese bucle es 0, esto
considerando las convenciones respecto a los signos de los Voltajes.
∑
𝑉𝑛 = 0
𝑛 ∈ 𝐵𝑢𝑐𝑙𝑒
-Ley de Corrientes de Kirchhoff
Esta ley plantea que, para todo nodo la suma corrientes que entran y
salen del nodo es 0, considerando como positivas aquellas corrientes que
entran y negativas aquellas que salen del nodo.
∑
𝑛:𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠
𝐼𝑛 =
∑
𝑘: 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝐼𝑘
2.4.- b) Señales de audio
Con tal de poder trabajar con señales de audio primero se analizara su
comportamiento en el tiempo, se adjuntan gráficos que muestran el
comportamiento de una señal de audio de una guitarra en función del
tiempo.
Figura 9: Señal entregada por una guitarra al momento de ser producida.
Se puede ver en este grafo que si bien la Señal parte con una cierta
amplitud esta empieza a decaer rápidamente posterior al inicio de la
señal, a la vez que disminuyen los armónicos más altos (visible en el
cambio de forma de la Señal hacia una forma más “suave”)
Figura 10: Señal entregada por una guitarra un segundo después de ser producida.
Una vez pasado 1 segundo se puede ver que buena parte de los
armónicos más altos han desaparecido casi por completo, quedando solo
algunos armónicos y a su vez la amplitud de la señal a disminuido en
buena medida.
2.4.- c) Conectores de Audio , “Jacks”
Los jacks de audio son los componentes que se utilizan para conectar una línea
de guitarra , jack “macho”(Figura 11.b) con un amplificador o pedal de efecto Jack
“hembra”(Figura 11.b) , para que el circuito diseñado pueda ser conectado a una
guitarra eléctrica o bajo , debe tener 2 jacks “hembra” , uno de entrada y otro de
salida , la conexión entre ambos jacks se realiza según la configuración representada
en la Figura 11.c.
Figura 11: Jacks de Audio
3. Diseño del circuito
Para el desarrollo de un circuito que permita una saturación controlada de una
onda de audio y posterior implementación para una guitarra o bajo eléctrico, se investigó el
comportamiento del audio de una guitarra eléctrica para conocer la amplitud y rango de
frecuencias de la misma, investigación que culminó con que en promedio la amplitud de una
onda de audio de una guitarra eléctrica es de aproximadamente 200mV y tiene una frecuencia
entre 1khz -15khz. Para el diseño del circuito se utilizó una onda sinusoidal de amplitud 200mV y
frecuencia 6khz como una aproximación de una onda de audio.
El primer problema que se presenta al saturar una onda de audio es , como
hacerlo , la forma más sencilla en que se logra la saturación es saturando un OP-AMP , sin
embargo dadas las condiciones del proyecto se decide saturar la onda con diodos , con lo cual
aparece el segundo problema ;dada la pequeña amplitud de la onda, se vuelve poco manejable la
saturación por lo cual se decide agregar una etapa de amplificación antes de la etapa de
saturación .
Con el circuito resuelto se inician las adaptaciones para la entrada y salida del
circuito, lo cual se maneja con conectores de “jacks de audio” los cuales permiten adaptar una
entrada “jack hembra” con una salida “jack macho” y a través de los jacks pasar del instrumento
al circuito y del circuito al amplificador.
Este circuito cuenta con las siguientes piezas y sus respectivos valores:
Bloque 1
Elemento
Valor
Potenciómetro
10 [kΩ]
Resistencia
20 [kΩ]
OPAMP
𝑉𝑖𝑛
UA741CN
Onda Sinusoidal:
-Amplitud 200 [mV]
-Frecuencia 2 [kHz]
Tabla 1: Componentes del Bloque 1
Bloque 2:
Elemento
Valor
Resistencia
10 [Ω]
2 Diodos
1N4148
Potenciómetro
2. kΩ]
Tabla 2: Componentes del Bloque 2
4. Conclusión
Se diseño y simuló tanto con ondas de sonido aproximadas como con pistas de audio
reales un circuito que pertime la saturacion controlada de una onda de audio , se conocieron las
formas de saturación , se superaron problematicas tales como: conocer una onda de audio de
una guitarra electrica , reconocer metodos para saturación de onda , dado que la onda de audio
es de amplitud menor a la necesaria para ser saturada por diodos , realizar una etapa de
amplificación mediante el uso del amplificador no inversor para luego poder saturar la onda con
un limitador de voltaje compuesto por diodos, además se aprendió el manejo de LTSpice y se
reconoció como una herramienta muy útil ya que al entregar audios procesados , a través del
sonido sepuede diseñar un circuito.
Finalmente se realizó una comparacion entre la simulación entre TINA con una
aproximacion a una onda de sonido y LTSpice con una onda de audio real , se obtuvieron
resultados similares , sin embargo el hecho de que una onda real se atenua con el avance del
tiempo disminuye su saturación a medida que se atenua el sonido , mientras que en una onda
sinusoidal al no atenuarse se tiene una saturación constante.
5. Bibliografía
5.1.
Fuentes:
-Daniel Cartelli, Iván Sidelnik, “Diodos y sus Aplicaciones”
Departamento de Física, Universidad de Buenos Aires.
- “Cook your own distortion”.
Disponible en:
http://www.generalguitargadgets.com/richardo/distortion/index.html
-Manual para LTSpice.
Disponible en:
http://foros.guitarramania.com/viewtopic.php?p=2172841
-Limitadores de Voltaje, Universidad del País Vasco.
Disponible en:
http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema4/Paginas/Pagina18.h
tm
5.2.
Datasheet:
-Datasheet UA741CN disponible en:
http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/U/A/7/4/UA741CN.shtml
-Datasheet Diodo 1N4148 disponible en:
http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/1/N/4/1/1N4148.shtml