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UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica
Diseño y montaje de un Preamplificador de audio para Estudio utilizando Válvulas Electrónicas.
Por Br. Andrea del V. Arenas M.
Sartenejas, septiembre de 2008
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica
Diseño y montaje de un Preamplificador de audio para Estudio utilizando Válvulas Electrónicas
Por Br. Andrea del V. Arenas M.
Realizado con la Asesoría de Prof. Julio S. Walter H.
PROYECTO DE GRADO Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Electrónico Sartenejas, septiembre de 2008
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Decanato de Estudios Profesionales Coordinación de Ingeniería Electrónica Diseño y montaje de un Preamplificador de audio para Estudio utilizando Válvulas Electrónicas PROYECTO DE GRADO presentado por Br. Andrea del V. Arenas M - N° Carnet 02-34635 REALIZADO CON LA ASESORÍA DE Prof. Julio S. Walter H. El presente trabajo de grado consiste en el diseño y construcción de un preamplificador de audio de muy baja distorsión, gran rango dinámico y con capacidad de compresión de la cadena de audio a ser grabada en un estudio de sonido, la particularidad del diseño se basa en la utilización de válvulas electrónicas en el circuito de preamplificación. Las fases llevadas a cabo durante la ejecución del proyecto fueron la exploración, en donde se investigó y estudió sobre los sistemas de preamplificación y compresión de audio; la fase de diseño, en donde se plantearon los circuitos de manera preliminar y se simularon mediante la herramienta SPICE®, además se diseñaron los circuitos impresos tanto del preamplificador como del compresor; la fase del montaje, en donde se soldaron los componentes tanto de montaje superficial como through hole, se diseñó y construyó la caja contenedora del equipo. Finalmente, la fase de pruebas en donde se realizaron una serie de mediciones y cambios en las diferentes etapas de los circuitos que permitieron su funcionamiento, sin embargo, debido a la falla de la fuente de alimentación conmutada al conectarse al preamplificador, no se logró probar el completo funcionamiento del equipo. En vista de las dificultades que se presentaron en la fase de pruebas, los principales resultados obtenidos se basan en las simulaciones del preamplificador el cual posee una respuesta en frecuencia de 10Hz a 1MKhz y ganancia de 55,5dB y del compresor que posee los siguientes parámetros: tiempo de ataque entre 20µs y 50ms, tiempo de release entre 10ms y 1s, relación de compresión entre 1:1 y 1:10, voltaje umbral entre -20dB y 20dB. PALABRAS CLAVES: Válvulas electrónicas, preamplificación, rango dinámico, compresión, señal de audio. Aprobado con mención: _______ Postulado para el premio: _______ Sartenejas, septiembre de 2008
A ti mamá
AGRADECIMIENTOS
A Dios por brindarme tantos momentos de felicidad junto a mi familia y amigos, por no abandonarme en los momentos difíciles.
A mi familia: mi papá, Andreina y Alejandro por soportarme la mayoría de las veces y apoyarme en todo momento.
A Leito por estar siempre ahí…cuando más nadie parecía estarlo…, por toda su comprensión, ayuda y apoyo. Gracias por todo Monchis, te amo.
A mi tutor el profesor Julio Walter por su paciencia, su incondicional apoyo y su gran ayuda en toda la realización de esta tesis.
A mis tías Paula y Lesbia por escucharme y hablar conmigo por teléfono aunque fuese una vez por semana o por mes.
A Willi, Sara, Edu, Guille, Marvin, Roberto, Betty, Vanessa (ojo sin orden de preferencia) por regañarme cada vez que decía que me iba a retirar jajaja, por estudiar y no estudiar juntos lo que fuese, por el apoyo que nos brindamos siempre, por no ser electrogallos, por ser más que mis compañeros de clase y mis amigos, ¡por ser mis hermanitos! Los quiero.
A los chicos del lab: Veetee, Champol y Manuel por todo su apoyo y ayuda, por las tardes de café (con y sin café), birras y plomo, por no preguntar ¿todavía? y preguntar ¿en qué te ayudo?... graciaaaaaaas
A Melissa por apoyarme siempre, por escucharme, por entenderme y por quererme como soy, por ser mi hermana más que mi amiga, te quiero.
A todos los que de algún modo me apoyaron para ayudarme a alcanzar esta meta.
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ÍNDICE ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS ............................................................................................... III GLOSARIO ................................................................................................................................... VI LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS .............................................................................. VIII CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN....................................................................................................1 1.1 DEFINICIÓN Y PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA. ................................................................................................ 1 1.2 OBJETIVOS .............................................................................................................................................. 2 1.2.1 Objetivo general .......................................................................................................................... 2 1.2.2 Objetivos específicos.................................................................................................................... 2 1.3 LIMITACIONES EN LA REALIZACIÓN DEL PROYECTO ........................................................................................... 3 1.4 DELIMITACIONES DEL PROYECTO.................................................................................................................. 3 CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO .................................................................................................4 2.1 ANTECEDENTES........................................................................................................................................ 4 2.2 BASES TEÓRICAS....................................................................................................................................... 4 2.2.1 Válvulas electrónicas ................................................................................................................... 4 2.2.2 Amplificadores ........................................................................................................................... 12 2.2.3 Compresores de audio ............................................................................................................... 14 2.2.4 Tubos vs. Transistores................................................................................................................ 15 2.2.5 Conectores de audio .................................................................................................................. 17 2.2.6 Fuentes de corriente conmutadas tipo Flyback ......................................................................... 18 CAPÍTULO 3. MARCO METODOLÓGICO ................................................................................ 21 3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN .......................................................................................................................... 21 3.2 FASES DEL PROYECTO .............................................................................................................................. 21 3.2.1 Exploración ................................................................................................................................ 21 3.2.2 Diseño ........................................................................................................................................ 22 3.2.3 Simulaciones .............................................................................................................................. 23 3.2.4 Montaje ..................................................................................................................................... 23 3.2.5 Pruebas finales .......................................................................................................................... 24 CAPÍTULO 4. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PREAMPLIFICADOR ................................. 25 4.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PREAMPLIFICADOR ......................................................................................... 26 4.2 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL COMPRESOR ................................................................................................. 39
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4.3 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN ............................................................................ 44 4.3.1 Diseño y construcción del transformador .................................................................................. 46 4.4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA CAJA ......................................................................................................... 52 CAPÍTULO 5. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ................................................. 55 CAPÍTULO 6. ANÁLISIS DE COSTOS ........................................................................................ 65 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................................... 69 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................ 71 ANEXOS ....................................................................................................................................... 73
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ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS
FIGURA 2-1 TUBO DE VACÍO TIPO DIODO. .......................................................................................................................... 6 FIGURA 2-2 TUBO DE VACÍO TIPO TRÍODO .......................................................................................................................... 7 FIGURA 2-3 SÍMBOLO CIRCUITAL DEL TRÍODO...................................................................................................................... 7 FIGURA 2-4 GRÁFICO DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL ÁNODO UN TRÍODO ................................................................................ 10 FIGURA 2-5 CIRCUITO DE PEQUEÑA SEÑAL EQUIVALENTE A UN TUBO DE VACÍO. ....................................................................... 11 FIGURA 2-6 CIRCUITO DE LA ETAPA DE SALIDA DE UN AMPLIFICADOR CLASE A Y GRÁFICO DE LA SEÑAL DE SALIDA DE CORRIENTE DE UN AMPLIFICADOR CLASE A........................................................................................................................................ 13
FIGURA 2-7 CIRCUITO DE LA ETAPA DE SALIDA DE UN AMPLIFICADOR CLASE B Y GRÁFICO DE LA SEÑAL DE SALIDA DE CORRIENTE DE UN AMPLIFICADOR CLASE B ........................................................................................................................................ 13
FIGURA 2-8 CIRCUITO DE LA ETAPA DE SALIDA DE UN AMPLIFICADOR CLASE AB Y GRÁFICO DE LA SEÑAL DE SALIDA DE CORRIENTE DE UN AMPLIFICADOR CLASE AB ..................................................................................................................................... 14
FIGURA 2-9 CONECTOR TIPO CANON O XLR ..................................................................................................................... 17 FIGURA 2-10 CONECTOR TIPO JACK O PLUG ...................................................................................................................... 17 FIGURA 2-11 CONECTORES XLR Y PLUG DE ¼” DE ENTRADA NO BALANCEADA......................................................................... 18 FIGURA 2-12 CONECTORES XLR Y PLUG DE ¼” DE ENTRADA BALANCEADA ............................................................................. 18 FIGURA 2-13 CIRCUITO TÍPICO DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN ........................................................................................ 19 FIGURA 2-14 CIRCUITO EQUIVALENTE AL CIRCUITO DE RETRASO DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN FLYBACK BASADA EN EL USO DE UN IRIS40XX. ......................................................................................................................................................... 20 FIGURA 4-1 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PREAMPLIFICADOR DE AUDIO.................................................................................. 25 FIGURA 4-2 DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA ETAPA DE PREAMPLIFICACIÓN DEL EQUIPO PREAMPLIFICADOR DE AUDIO ....................... 26 FIGURA 4-3. CIRCUITO CORRESPONDIENTE A LA CADENA DE PREAMPLIFICACIÓN DE LA SEÑAL DE AUDIO ....................................... 27 FIGURA 4-4 CIRCUITO CORRESPONDIENTE A LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE LOS FILAMENTOS .................................................. 29 FIGURA 4-5 TRANSFORMADOR DE LA FUENTE DE FILAMENTOS CONSTRUIDO ........................................................................... 32 FIGURA 4-6. CIRCUITO CORRESPONDIENTE A LA FUENTE DE CORRIENTE QUE ALIMENTA LA ETAPA DE AMPLIFICACIÓN DEL CIRCUITO CONTROLADA POR CORRIENTE ............................................................................................................................... 33
FIGURA 4-7 RESPUESTA DE BARRIDO DE TENSIÓN CONTINUA DEL CIRCUITO DEL PREAMPLIFICADOR. ESTA SIMULACIÓN SE OBTUVO HACIENDO UN BARRIDO LINEAL DE LA FUENTE DE VOLTAJE V5 EN EL RANGO DE -12V A 0V ............................................... 34
FIGURA 4-8 RESPUESTA DE BARRIDO DE CORRIENTE CONTINUA DEL CIRCUITO DEL PREAMPLIFICADOR APLICANDO LOGARITMO EN EL EJE DE LAS ORDENADAS. ESTA SIMULACIÓN SE OBTUVO HACIENDO UN BARRIDO LINEAL DE LA FUENTE DE VOLTAJE V5 EN EL RANGO DE -12V A 0V .................................................................................................................................................... 34
FIGURA 4-9 CIRCUITO DE ESTABLECIMIENTO DEL VOLTAJE ALIMENTACIÓN DE LA ETAPA DE AMPLIFICACIÓN CONTROLADA POR VOLTAJE DEL PREAMPLIFICADOR ......................................................................................................................................... 35
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FIGURA 4-10 RESPUESTA DEL BARRIDO DE CORRIENTE TIPO LOGARÍTMICO POR DÉCADAS DESDE 1HZ HASTA 10MHZ CON 100 PUNTOS POR DÉCADAS, CON BARRIDO PARAMÉTRICO LINEAL DE LA VARIABLE V5 DESDE -12V A -1V .............................................. 36
FIGURA 4-11 CIRCUITO FINAL DEL PREAMPLIFICADOR DE AUDIO ........................................................................................... 37 FIGURA 4-12 DETALLE DE LAS TARJETAS DEL CIRCUITO IMPRESO DEL PREAMPLIFICADOR. EN LA TARJETA DE LA IZQUIERDA SE OBSERVA LA FALTA DE DETALLE EN LA REALIZACIÓN DE LAS PISTAS COMPARADA CON LA TARJETA OBSERVADA A LA DERECHA DE LA IMAGEN.. 38
FIGURA 4-13. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL COMPRESOR .................................................................................................... 39 FIGURA 4-14. SIMULACIÓN DEL CIRCUITO DEL COMPRESOR ................................................................................................. 41 FIGURA 4-16 MONTAJE FINAL DEL CIRCUITO DEL PREAMPLIFICADOR MÁS COMPRESOR. ............................................................ 42 FIGURA 4-15. TARJETA FINAL DEL CIRCUITO DEL COMPRESOR............................................................................................... 42 FIGURA 4-17. ESQUEMA CIRCUITAL DEL COMPRESOR ......................................................................................................... 43 FIGURA 4-18. CIRCUITO FINAL DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN CONMUTADA ........................................................................ 45 FIGURA 4-19 GUÍA DE CONSTRUCCIÓN DEL TRANSFORMADOR CON MARGEN ENVOLVENTES EN LOS BORDES DE LA BOBINA .............. 48 FIGURA 4-20 BOBINADO C DE UN TRANSFORMADOR ......................................................................................................... 49 FIGURA 4-21 BOBINADO DEL TRANSFORMADOR SEPARANDO EL PRIMARIO A LA MITAD ............................................................. 49 FIGURA 4-22 NÚCLEO DE FERRITA ETD ........................................................................................................................... 50 FIGURA 4-23 IMAGEN DEL TRANSFORMADOR EN EL PROCESO DE BOBINADO DE PRIMARIO. ........................................................ 51 FIGURA 4-24. TARJETA FINAL DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN CONMUTADA ......................................................................... 51 FIGURA 4-25 PLANO DE DISPOSICIÓN DE COMPONENTES EN EL PANEL DELANTERO DE LA CAJA DEL PREAMPLIFICADOR..................... 52 FIGURA 4-26 PLANO DE DISPOSICIÓN DE COMPONENTES EN EL PANEL TRASERO DE LA CAJA DEL PREAMPLIFICADOR ........................ 53 FIGURA 4-27. MODELO DE LA CAJA DEL PREAMPLIFICADOR ................................................................................................. 54 FIGURA 5-1. GRÁFICO DE LAS SEÑALES DE SALIDA DEL PWM TL494 OBSERVADAS EN EL OSCILOSCOPIO ...................................... 56 FIGURA 5-2 GRÁFICO DE LAS SEÑALES DE SALIDA DEL DRIVER MC33154 OBSERVADAS EN EL OSCILOSCOPIO ................................ 56 FIGURA 5-3 GRÁFICO DE LAS SEÑALES DE SALIDA DE LOS MOSFET TIPO N FDS6911 Y TIPO P FDS4935 OBSERVADAS EN EL OSCILOSCOPIO .................................................................................................................................................... 57
FIGURA 5-4. IMAGEN DEL ENCENDIDO DE LOS FILAMENTOS DE LAS VÁLVULAS DE VACÍO ............................................................ 58 FIGURA 5-5 MONTAJE SUSTITUTO DEL CIRCUITO CONFORMADO POR UN ARREGLO DE SEGUIDORES NO INVERSORES CD4049 Y UN PAR DE MOSFET DE POTENCIA IRFZ44N ........................................................................................................................ 59
FIGURA 5-6 CONFIGURACIÓN FINAL DEL CIRCUITO CORRESPONDIENTE A LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE FILAMENTOS................... 60 FIGURA 5-7 GRÁFICO DE LA SEÑAL DE SALIDA DEL PWM TL494 OBSERVADA EN EL OSCILOSCOPIO ............................................. 61 FIGURA 5-8 GRÁFICO DE LA SEÑAL DE VOLTAJE GATE-SOUCE MEDIDO EN LOS MOSFET DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE LOS TUBOS OBSERVADA EN EL OSCILOSCOPIO ........................................................................................................................... 61
FIGURA 5-9 GRÁFICO DE LA SEÑAL DE VOLTAJE MEDIDA EN LA SALIDA DEL UNO DE LOS DEVANADOS (6,3V) DEL TRANSFORMADOR DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE LOS TUBOS OBSERVADA EN EL OSCILOSCOPIO.................................................................... 62
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TABLA 4-1. PARÁMETROS DEL TRANSFORMADOR DE LA FUENTE DE FILAMENTOS...................................................................... 31 TABLA 4-2 PARÁMETROS DE ENTRADA REQUERIDOS PARA EL DISEÑO DEL TRANSFORMADOR DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN .......... 46 TABLA 4-3 PARÁMETROS DE CONSTRUCCIÓN DEL PRIMARIO DEL TRANSFORMADOR .................................................................. 47 TABLA 4-4 PARÁMETROS DE CONSTRUCCIÓN DEL SECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR .............................................................. 47 TABLA 5-1 VOLTAJES DE SALIDA DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN CONMUTADA ...................................................................... 55 TABLA 5-2 VOLTAJES DE SALIDA DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE FILAMENTOS CON CARGA A LA SALIDA .................................. 57 TABLA 5-3 VOLTAJES DE SALIDA DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE FILAMENTOS CON CARGA A LA SALIDA .................................. 62 TABLA 6-1 COSTOS DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN CONMUTADA ....................................................................................... 66 TABLA 6-2. COSTOS DEL AMPLIFICADOR CON COMPRESOR .................................................................................................. 67
ANEXO 1. DATOS RESULTANTES DE LA HERRAMIENTA DE MICROMETALS INDUCTOR DESIGN SOFTWARE ©2005 PARA EL DISEÑO DE LAS BOBINAS DEL FILTRO DE SALIDA DEL TRANSFORMADOR DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE FILAMENTOS DE LOS TUBOS DEL PREAMPLIFICADOR .............................................................................................................................................. 74
ANEXO 2. CIRCUITO IMPRESO DEL EQUIPO PREAMPLIFICADOR DE AUDIO. CAPA SUPERIOR.......................................................... 75 ANEXO 3. CIRCUITO IMPRESO DEL EQUIPO PREAMPLIFICADOR DE AUDIO. CAPA INFERIOR .......................................................... 76 ANEXO 4. CIRCUITO IMPRESO DEL COMPRESOR. CAPA SUPERIOR Y CAPA INFERIOR ................................................................... 77 ANEXO 5. IMÁGEN DEL MONTAJE FINAL Y CAJA DEL PREAMPLIFICADOR CON COMPRESOR .......................................................... 78 ANEXO 6. IMÁGEN DEL MONTAJE FINAL Y LA CAJA DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN CONMUTADA ............................................... 79 ANEXO 7. GRÁFICO DEL VOLTAJE DE PLACA DEL 5654 OBTENIDO DEL MODELO REALIZADO A TRAVÉS DE LA HERRAMIENTA DE LABVIEW ....................................................................................................................................................................... 80 ANEXO 8 GRÁFICO DEL VOLTAJE DE PLACA DEL 5670 OBTENIDO DEL MODELO REALIZADO A TRAVÉS DE LA HERRAMIENTA DE LABVIEW ....................................................................................................................................................................... 81 ANEXO 9 GRÁFICO DEL VOLTAJE DE PLACA DEL EL86 OBTENIDO DEL MODELO REALIZADO A TRAVÉS DE LA HERRAMIENTA DE LABVIEW ....................................................................................................................................................................... 82 ANEXO 10. TABLAS REFERENCIALES PARA EL USUARIO DE SELECCIÓN DE GANANCIA Y VOLTAJE UMBRAL DEL COMPRESOR ................. 83
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GLOSARIO Preamplificador: dispositivo que acondicionan la señal de audio para trabajar a un nivel óptimo dentro de la electrónica de la consola. La ganancia de estos controles va típicamente de -10 dB a 60 dB Compresor: dispositivo que reduce el rango dinámico de una señal según una relación de compresión especificada, una vez que esta excede un valor de umbral. Ganancia: cociente entra las magnitudes de la señal de salida y la señal de entrada de un circuito. Tiempo de ataque: es el tiempo que le toma al compresor actuar sobre la señal una vez que esta alcanza y sobrepasa el nivel de umbral. Tiempo de relajación: es el tiempo que le toma al compresor llevar la señal a ganancia unitaria una vez que la señal tiene un nivel menor al de umbral. Radio de compresión: define la relación de atenuación de la señal de entrada con respecto a la de salida una vez que esta supera el nivel de umbral. Voltaje de threshold o umbral: es el nivel de voltaje en el que se inicia la compresión de la señal, es decir se reduce su nivel de ganancia. Alimentación fantasma o phantom: es la alimentación de 48 V requerida por los micrófonos de tipo condensador para su funcionamiento. Impedancia de entrada: relación entre el voltaje de la señal y la intensidad de corriente suministrada por la misma, para salida nula. Impedancia de salida: relación entre el voltaje de la señal y la intensidad de corriente suministrada a la salida con la entrada cortocircuitada. Potencia: cantidad de trabajo por unidad de tiempo realizado por una corriente eléctrica, en el caso de corriente continua se define como el producto del voltaje por la corriente que pasan por el dispositivo en un cierto instante. Rango dinámico: es el margen entre el nivel de referencia de la señal y el nivel de ruido (S/N) Distorsión armónica (THD): es el valor de la raíz cuadrática media (rms) de las componentes armónicas de la señal de salida excluyendo la fundamental, expresado como un porcentaje del valor rms de la fundamental. Un amplificador de audio de alta fidelidad posee una característica de THD del orden de una fracción del porcentaje.
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THD =
∑P
armónicas
Ptotal
0-1
Canal de audio: se refiere a cada uno de los caminos en los que la señal eléctrica correspondiente al audio puede ser manejado vía hardware de forma independiente. Sonido monofónico o mono: sonido de audio grabado y reproducido por un solo canal usualmente centrado en el campo auditivo. Sonido estéreo o estereofónico: es la grabación o reproducción de sonido, usando dos o más canales independientes de audio, a través de una configuración simétrica de parlantes, de tal forma que se crea una impresión placentera de sonido proveniente de varias direcciones, como en la audición natural. Vúmetro: aparato de medida de la intensidad de sonido en dB (decibelios). Normalmente la medición comprende desde -20 dB a +3 dB. PWM: Pulse Wide Modulation o modulación de ancho de pulso
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LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS
A
Amper, unidad de corriente.
Belio
Unidad de intensidad sonora.
Cm2
Centímetros cuadrados, unidad de área.
dB
Unidad logarítmica submúltiplo del belio, 1 belio equivale a 10 decibelios y representa un aumento de potencia de 10 veces sobre la magnitud de referencia.
dBm
Relación de voltajes utilizando como Vref=1mV.
dBV
Relación de voltajes utilizando como Vref=1V.
dBfs
Relación de voltajes utilizando el equipo a full escala.
EMI
Interferencia electromagnética
Mils
Milésima de pulgada
mA
Mili-Amper, unidad de corriente
Mho
siemens, unidad de conductancia
Ω
Ohmios, unidad de resistencia.
RMS
Root mean square: raíz cuadrática media
Torio (thoriated)
Elemento químico que puede ser encontrado en la tabla periódica con símbolo TH y número atómico 90 (que posee torio)
V
Voltios, unidad de voltaje
W
Vatios, unidad de potencia
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
1.1 Definición y presentación del problema.
El uso de válvulas al vacío, único método posible para amplificación de audio, entre otros usos durante la mayor parte del siglo XX, fue casi relegado al olvido a partir de los años 1980 debido al uso preponderante de los componentes electrónicos de estado sólido. Sin embargo, el nuevo siglo encontró un interés enorme en el uso de los mismos, al punto que empresas que habían dejado de construirlos volvieron a hacerlo nuevamente, tal es el caso de Western Electric, con su famoso modelo WE-300B. Igualmente, hay una nueva generación de sistemas preamplificadores y otros equipos de audio basados en válvulas electrónicas1, de diseño reciente, que están siendo usados con éxito en estudios de grabación profesionales. Muchos audiófilos, ingenieros de audio y músicos prefieren las características de los equipos de audio basados en válvulas electrónicas sobre los equipos electrónicos basados en transistores. El sonido característico producido por un amplificador basado en válvulas electrónicas es ampliamente utilizado en la amplificación de instrumentos musicales tales como las guitarras eléctricas y ha definido la textura de algunos géneros de la música tales como el rock y el blues. Los equipos de audio diseñados y construidos con válvulas electrónicas presentes en el mercado son de un alto valor económico y sólo pueden ser adquiridos en países como los Estados Unidos de América y otras potencias mundiales. Ante esta situación el presente proyecto de tesis tiene como objetivo principal desarrollar un sistema preamplificador de audio de muy baja distorsión, gran rango dinámico y con la capacidad de compresión de la cadena de audio a ser grabada basado en válvulas electrónicas, cuyas características puedan ser comparadas con otros equipos existentes en el mercado. Se realizaron estudios de equipos comerciales con el fin de obtener los parámetros de diseño y luego se procedió a realizar un diseño propio con su correspondiente montaje y pruebas. Adicionalmente se diseñó y
1
Para
más
información
http://www.studio-electric.com/
puede
visitar:
http://www.tlaudio.co.uk/,
http://www.moscode.com/,
2
construyó la fuente de alimentación conmutada tipo flyback específica a los requerimientos de éste preamplificador.
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general Diseñar y construir un preamplificador de audio de muy baja distorsión, gran rango dinámico y con la capacidad de compresión de la cadena de audio a ser grabada en un estudio de sonido utilizando válvulas electrónicas.
1.2.2 Objetivos específicos 1. Investigar y estudiar sobre los sistemas de preamplificación y compresión de audio, la utilización de válvulas electrónicas en dichos sistemas y los diferentes temas relacionados directa e indirectamente con estos tópicos. 2. Estudiar y analizar equipos de audio comerciales específicamente basados en válvulas electrónicas. 3. Diseñar de manera preliminar y simular mediante la herramienta SPICE ® el circuito del preamplificador y del compresor. 4. Realizar el diseño final del circuito electrónico y del circuito impreso. 5. Diseñar y construir la fuente de poder de alto voltaje correspondiente a las necesidades del equipo. 6. Realizar el montaje del prototipo final. 7. Realizar las pruebas de laboratorio del equipo.
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1.3 Limitaciones en la realización del proyecto
Las principales limitaciones que se presentaron en la realización de este proyecto fueron:
La ausencia de trabajos previos realizados relacionados con el tema que sirvieran como referencia en la realización del proyecto. La carencia de proveedores de equipos electrónicos en el país que permitieran desarrollar antes del diseño final prototipos de prueba que facilitaran visualizar posibles errores de diseño y construcción del equipo. Dificultad en la adquisición de divisas para la procura de equipos requeridos, que retrasan y entorpecen el proceso de compra de los componentes a utilizar. La poca confiabilidad en cuanto a calidad y tiempo de trabajo versus costos ofrecida por parte de las pocas empresas presentes en el país que elaboran los circuitos impresos.
1.4 Delimitaciones del proyecto
La fuente de alimentación del preamplificador está diseñada para entregar una potencia tal que soporte hasta un máximo de cuatro canales mono de grabación, sin embargo, para este primer prototipo sólo se probó un canal de audio. El preamplificador sólo trabajará con dos tipos de entrada y un tipo de salida de audio. Para la entrada se consideraron dos tipos de conectores el primero fue un conector tipo canon o XLR balanceado utilizado para los micrófonos, y el segundo un conector tipo plug o jack de ¼” utilizado para instrumentos. El preamplificador posee una impedancia de entrada de 2kΩ y de salida de 600Ω.
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO
2.1 Antecedentes
Mediante la realización de un proyecto previo basado en la generación de modelos en Spice® para válvulas de vacío utilizando Labview®, se buscó mejorar de manera significativa y precisa el modelaje de válvulas de vacío. Esto permitió realizar estudios más profundos acerca del funcionamiento y características de las válvulas de vacío, así como también, el desarrollo de un gran número de aplicaciones en el área de acústica como es el caso de preamplificadores de audio (Suárez, 2007). SPICE® y otras herramientas de diseño, absolutamente inexistentes para los creadores de los tubos al vacío, se comenzaron a utilizar para simular el comportamiento de éstos, elaborando simulaciones de diseños que reproducían de manera muy confiable el comportamiento de circuitos reales. Esta fiabilidad dependía completamente de la calidad del modelo del dispositivo, por lo cual se fueron creando modelos cada vez más sofisticados. Esta sofisticación trajo como consecuencia que los modelos tuvieran que ser generados mediante algoritmos computacionales de ajuste de datos experimentales, que presentan problemas de convergencia, teniendo como consecuencia que la creación del modelo se convierta en una serie de iteraciones, donde el usuario forma parte integral del lazo de iteración, probando diversos puntos de inicio a fin de verificar si se logra un mínimo absoluto en el ajuste haciendo de este método es muy engorroso y lento, de allí que mediante el uso de algoritmos de búsqueda directa se buscó mejorar dicha convergencia, de modo de pudiera lograr una simulación más exacta de los mismos.
2.2 Bases teóricas
2.2.1 Válvulas electrónicas La válvula electrónica es un dispositivo utilizado para amplificar, modificar o crear señales eléctricas controlando el movimiento de electrones en un espacio de baja presión atmosférica. Las válvulas electrónicas fueron dispositivos que permitieron el desarrollo de
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tecnologías en el área de la electrónica tales como televisión, radares, reproducción de sonido, redes telefónicas y procesos de control industrial. Para muchos propósitos las válvulas electrónicas fueron reemplazadas por los semiconductores de estado sólido como los transistores y los diodos, pues para numerosas aplicaciones, estos dispositivos son más pequeños, más económicos y más eficientes tanto en el uso del dispositivo como en circuitos integrados. Sin embargo las válvulas electrónicas aún son utilizadas hoy en día para algunas aplicaciones como lo son transmisores de radio frecuencia de alta potencia y amplificación de audio. Una válvula electrónica consiste en un conjunto de electrodos colocados al vacío y aislados por una envoltura resistente a altas temperaturas, aunque los revestimientos son principalmente de vidrio, las válvulas utilizadas para aplicaciones de potencia suelen fabricarse de cerámica o metal. Las válvulas electrónicas poseen un filamento sellado en una envoltura de vidrio a la cual se le ha extraído todo el aire (Figura 2-1). Cuando el filamento se calienta, se desprenden electrones en la válvula lo cual es conocido como el proceso de emisión termoiónica; se forma así una nube cargada negativamente conocida como nube termoiónica. Estos electrones son atraídos por una placa de metal dentro del tubo, si la placa o ánodo está cargada positivamente con respecto al filamento o cátodo un flujo de electrones se dirige del filamento hacia la placa. Este proceso no puede producirse en dirección inversa, pues la placa no se calienta lo suficiente como para emitir electrones. De aquí que la válvula se comporte como un diodo pues conduce corriente en una sola dirección, la dirección opuesta al flujo de electrones producidos. La corriente producida es una corriente de convección que se dirige de la placa (ánodo) hacia el filamento (cátodo).
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Figura 2-1 Tubo de vacío tipo diodo.
La válvula electrónica es un dispositivo controlado por voltaje, cuya relación entre la entrada y la salida del circuito está determinada por la función de la transconductancia. El dispositivo de estado sólido que más se asemeja a una válvula electrónica es el transistor JFET, aunque los niveles de voltaje y potencia utilizados en las válvulas son mucho mayores a
los del JFET. En 1907, Lee De Forest colocó un cable inclinado con una función de pantalla entre el filamento y la placa de la válvula, este nuevo electrodo fue denominado luego rejilla (Figura
2-2). Como el voltaje aplicado a la rejilla varía desde voltajes negativos hasta voltajes positivos, el número de electrones que fluyen desde el filamento hacia la placa también varía;
por esto se dice que la rejilla controla electrostáticamente la corriente de placa. De Forest denominó Audion a su invento, el cual resultó ser un excelente amplificador de voltajes. Una versión del Audion para ser utilizado en radio com comunicaciones unicaciones fue realizada por De Forest, conocido desde entonces como tríodo. Sin embargo, este dispositivo no era realmente una válvula termoiónica pero dependía claramente de su principio de funcionamiento. El primer tríodo conocido como válvula termoiónica fue desarrollado por Irving Langmuir en el laboratorio de la compañía General Electric (Schenectady, New York) en 1915.
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Figura 2-2 Tubo de vacío tipo tríodo
El símbolo circuital para el tríodo se muestra en la Figura 2-3. Las conexiones son P=
ánodo o placa, K=cátodo y G=rejilla o grid (F, F'=filamento).
Figura 2-3 Símbolo circuital del tríodo
Cuando los tríodos fueron utilizados inicialmente para transmisores y receptores de
audio, se encontró una tendencia de oscilación debido a la capacitancia parásita existente entre la rejilla y el ánodo. Se descubrió que la adición de una segunda rejilla colocada entre la rejilla de control y la placa, denominada pantalla de la rejilla, solucionaba el problema de oscilación. Un voltaje ligeramente menor al aplicado a la placa fue aplicado a la nueva rejilla desacoplando el ánodo de la primera rejilla y eliminando así completamente el problema de oscilación. Adicionalmente, se reduce la capacitancia de Miller, la cual permite un aumento de ganancia a altas frecuencias. Este tubo de dos rejillas se denomina tetrodo, contiene cuatro
electrodos activos. Sin embargo, este nuevo tetrodo tenía un nuevo problema, cuando los electrones golpean
el ánodo se desprenden electrones secundarios que en el caso del tríodo son atraídos nuevamente por el ánodo, pero en el tetrodo los electrones pueden alcanzar la segunda rejilla
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reduciendo así la corriente de placa y la amplificación del circuito. Como los electrones secundarios pueden exceder en número a los electrones primarios, particularmente cuando el voltaje de placa está por debajo del voltaje de rejilla, la corriente de placa puede disminuir incrementando su voltaje. Nuevamente la solución estuvo en agregar una tercera rejilla denominada rejilla supresora. Esta tercera rejilla posee un voltaje negativo con respecto al ánodo, la cual electrostáticamente elimina los electrones secundarios repeliéndolos de vuelta hacia el ánodo. Este tubo de tres rejillas se denominó pentodo, contiene cinco electrodos. Dentro de otros tipos de válvulas se conoce por ejemplo el modelo RCA 12AX7 (1947) el cual es un tríodo dual con alta ganancia ampliamente utilizado en amplificadores de guitarra, preamplificadores de audio e instrumentos. Es muy importante que el vacío generado en las válvulas sea tan perfecto como sea posible. Cualquier átomo o átomos que se encuentren dentro de la válvula podrían ionizarse con los voltajes de operación del dispositivo, esto podría producir conducción no controlable entre los electrodos del tubo. Un menor grado de vacío implica la presencia de un mayor número de moléculas de gas en la válvula, aumentando el número de colisiones con los electrones y disminuyendo el rendimiento del tubo. Pero un mayor vacío implica un mayor desgaste de los filamentos, por lo que históricamente se ha ido avanzando hacia las válvulas de alto vacío mediante un avance conjunto en todos los demás componentes. Los metales y otros materiales tienen propiedades de adsorción y absorción de gases de la atmósfera, y cuando se calientan a baja presión los van liberando lentamente. Por ello, aunque se extraiga todo el aire de una válvula, con el uso, el vacío interior se reduce. Para evitarlo se utiliza el getter, que es un material (por ejemplo, magnesio) que se evapora una vez sellado el tubo. El magnesio evaporado se deposita en la superficie del vidrio formando un recubrimiento brillante. El getter absorbe las moléculas de gas que puedan liberarse en el tubo, manteniendo la integridad del vacío. Cuando entra aire en la válvula, el getter se vuelve blanquecino. El material más utilizado en construcción del recipiente de la válvula es el vidrio, ya heredado de la fabricación de bombillas. Pero el vidrio tiene bajo punto de fusión, es un buen aislante térmico y es frágil, de modo que para válvulas de alta potencia y radiofrecuencia se
9
prefiere utilizar cerámicas, que son menos frágiles, tienen buena conductividad térmica y alto punto de fusión. El material utilizado por Fleming y De Forest para los filamentos fue el tántalo o el tungsteno. Aparentemente por accidente, un cable de tungsteno con torio (material radioactivo que emite principalmente partículas alfa, así como también radiación gamma y beta) fue utilizado en una fábrica de la empresa General Electric en Harrison, Nueva Jersey en 1920, el cual entregaba una potencia en el filamento de 75 mA/W, mientras que el tungsteno sólo entregaba 1.75 mA/W. Los filamentos de tungsteno con torio se hicieron más populares pues permitieron una mayor conducción a temperaturas muchos menores que la temperatura de fusión comparada a la del tungsteno puro, lo que se tradujo también en un tiempo de vida del filamento mucho mayor. La tasa de emisión de electrones de un metal a altas temperaturas está dada por la ecuación de Richardson-Dushman
i = AT2e-b/T A/cm2
2-1
Donde T es la temperatura absoluta en grados Kelvin, A y b son constantes típicas del material emisor. Para el tungsteno, A = 60 y b = 52,400K. Se puede observar que como el factor exponencial es el predominante en la ecuación la emisión de electrodos aumenta rápidamente con el aumento de la temperatura. Los electrones al ser atraídos por la placa o ánodo cargado positivamente, generan una corriente convección que se dirige de la placa (ánodo) hacia el filamento (cátodo). La cantidad de corriente está dada por la ley de Langmuir-Child
I = A V3/2
2-2
Donde V es el voltaje aplicado entre el cátodo y el ánodo. Se puede observar que el campo eléctrico generado en la nube termoiónica es el que el flujo de los electrones, es decir, la corriente.
10
Las variables utilizadas para modelar el comportamiento circuital de un tríodo son Vp (voltaje de placa) y Vg (voltaje de rejilla) con respecto al cátodo las cuales son variables independientes y la corriente de placa Ip que es la variable dependiente. Un gráfico de Ip vs Vp para un valor fijo de Vg se denomina característica de la placa o ánodo y un gráfico de Ip vs Vg para un valor fijo de Vp se denomina característica de transferencia (Figura 2-4).
Figura 2-4 Gráfico de las características del ánodo de un tríodo
Las líneas de características del ánodo o placa son líneas curvas idealizadas con líneas rectas, para cada voltaje de rejilla corresponde una línea curva. La distancia horizontal es la cantidad de voltaje de placa que debe ser incrementado para que la corriente de placa sea constante, representa la influencia de la rejilla y la placa en la corriente de placa y se conoce como el factor de amplificación µ.
µ=
V placa
2-3
Vrejilla
La distancia vertical entre las líneas de característica de placa muestra cuanto cambia la corriente de placa según cambie el voltaje de rejilla, se conoce como la transconductancia gm y se mide en siemens (mho) y cuyos valores típicos se encuentran entre los 1 y 10 siemens. La pendiente de las curvas es la relación entre gm y µ y se denomina conductancia de placa gp.
11
También se conoce el valor de rp como recíproco de la transconductancia de placa que varía para diferentes corrientes y voltajes. La línea de carga mostrada en la Figura 2-4, muestra la diferencia entre el voltaje de
alimentación Vbb y el voltaje que cae en la resistencia de carga RL en serie con el tubo a cualquier corriente de placa, obteniendo directamente el voltaje de placa. Existen
generalmente diferentes rectas de carga para operación dinámica (corriente alterna) o estática (corriente directa). Como el voltaje de rejilla varía, la corriente de placa y el voltaje varían alrededor de la línea de carga. El punto de operación puede seleccionarse alrededor de la línea de carga para corriente directa (DC) y de allí puede ser hallado el punto de polarización de
corriente directa de la rejilla. El circuito de pequeña señal equivalente es el mostrado en la Figura 2-5; en el caso del tríodo, la resistencia de placa debe ser tomada en cuenta. Es fácil notar que el voltaje máximo que que se puede alcanzar en un tríodo es de µ, si la resistencia de carga es mucho mayor que la resistencia de placa. La ganancia definida para un tubo análoga a la de un transistor se expresa con la ecuación
µ = g m rp
2-4
Figura 2--5 Circuito de pequeña señal equivalente a un tubo de vacío.
Una válvula electrónica con una corriente I y un voltaje de placa V disipa una potencia de VI, tal como si fuera una resistencia. Sin embargo en la resistencia el proceso es diferente, un electrón entrega pequeñas cantidades cantidades de energía mientras es acelerado y luego es disipada.
En la válvula electrónica, el electrón adquiere energía cinética mientras es acelerado, esta energía es pasada por completo cuando colisiona con la placa. No es correcto atribuir la disipación de potencia a la resistencia de placa. Como la placa se encuentra en el vacío, el calor irradiado por ella es mayormente infrarrojo, y es absorbido por la envoltura de vidrio;
12
puede notarse que las placas son ennegrecidas en su mayoría para aumentar su emisividad (Calvert, 2001).
2.2.2 Amplificadores Los amplificadores, según el tipo de etapa final que posean, tienen una impedancia de salida baja, de tal manera que puedan entregar a una carga, una señal que suele ser de gran amplitud, sin pérdidas apreciables en su ganancia. Una medida de las propiedades del diseño de la etapa de salida de un amplificador es la distorsión armónica total (THD), la cual es un valor rms de las componentes armónicas de la señal de salida excluyendo la fundamental, expresada como un porcentaje del valor rms de la armónica fundamental. Un amplificador de audio de alta fidelidad posee un THD del orden de fracción de porcentaje. El diseño de las etapas de salida presenta un reto porque debe entregar la cantidad de potencia requerida a la carga de la manera más eficiente, esto implica que la potencia que disipen los componentes en la etapa de salida debe ser lo más baja posible. Las etapas de salida son clasificadas dependiendo del tipo de señal que resulta ser la corriente del colector (para el caso de los transistores bjt) cuando se aplica una señal de entrada al circuito (Sedra & Smith, 2001). Los principales tipos de amplificadores que se encuentran según el tipo de etapa a la salida del circuito son: Clase A: en este tipo de amplificador la etapa de salida conduce en todo el ciclo de la señal de entrada. Se basa en circuito seguidor de emisor (para el caso de los transistores bjt) y posee una baja impedancia de salida. Tiene una eficiencia máxima del 25% (Figura 2-6).
13
Figura 2-6 Circuito de la etapa de salida de un amplificador clase A y gráfico de la señal de salida de corriente de un amplificador clase A
Clase B: en este tipo de amplificador la etapa de salida conduce sólo en la mitad del ciclo de la señal de entrada. Se basa en la conexión de un par de transistores conectados en pareja de manera complementaria tal que ambos no puedan conducir simultáneamente. Tiene
una eficiencia máxima de , lo que es equivalente a un 78% (Figura 2-7).
Figura 2-7 Circuito de la etapa de salida de un amplificador clase B y gráfico de la señal de
salida de corriente de un amplificador clase B
Clase AB: en este tipo de amplificador la etapa de salida conduce un poco más de la mitad del ciclo de la señal de entrada. Su configuración básica se fundamenta en la misma
14
conexión del amplificador tipo A agregando un voltaje de polarización en las bases de los transistores (Figura 2-8).
Figura 2-8 Circuito de la etapa de salida de un amplificador clase AB y gráfico de la señal de
salida de corriente de un amplificador clase AB
2.2.3 Compresores de audio Un compresor es un dispositivo que reduce el rango dinámico de una señal según una relación de compresión o compression ratio especificada, una vez que esta excede un valor de umbral o threshold. En líneas generales un compresor trabaja de la siguiente manera: digamos que se tiene una relación de compresión de 2:1 con un nivel de umbral de 0 dB y se hace circular una señal a través del dispositivo. Mientras esta señal no sobrepase el nivel de umbral (0 dB) permanecerá exactamente igual, una vez que sobrepase el umbral, digamos en +6dB, el compresor disminuirá la ganancia según el factor de compresión, en este caso la mitad (2:1), resultando en una señal de +3dB en la salida del dispositivo. Si la señal vuelve a bajar su valor por debajo de los 0 dB el compresor dejará de actuar, volviendo a la situación original. Un compresor posee otras variables de control, adicionales a las vistas. Estas son: el ataque o attack que indica que tan rápido actúa el compresor sobre una señal una vez que pasa el nivel de umbral (threshold); se mide en unidades de tiempo. El tiempo de relajación o release que indica que tan rápido deja de actuar el compresor una vez que la señal disminuye por debajo del nivel de umbral; se mide en unidades de tiempo. Existen compresores que aplican una compresión gradual. Las señales cuya amplitud esté cercana al valor umbral son comprimidas con un factor de compresión menor al indicado
15
en la relación de compresión, y a medida que aumenta la amplitud la señal excediendo el valor umbral, la compresión se hace más fuerte hasta que se alcanza la relación de compresión establecida. Este tipo de compresión es más suave y se hace menos notable auditivamente. Los compresores que se comportan de esta manera incluyen un parámetro adicional de control conocido como rodilla o knee. Mientras más alto sea el valor del knee más suave será la compresión. Un dispositivo muy relacionado con el compresor es el limitador, el cual es un compresor extremo. Compresiones del orden de 10:1 o mayores normalmente son acciones limitadoras de la señal, ya que los niveles de salida son efectivamente cortados en el nivel de umbral (Bruscianelli, 2000).
2.2.4 Tubos vs. Transistores Algunos aficionados al sonido (conocidos como audiófilos) defienden que el sonido reproducido por amplificadores basados en válvulas de vacío es más natural y satisfactorio que el producido por amplificadores de transistores, debido a la diferencia en el comportamiento de los transistores y los tubos ante las señales transitorias y a las topologías de diseños de circuitos utilizadas para cada dispositivo, la señal amplificada por cada uno de estos componentes utilizados en los amplificadores difiere ampliamente en las componentes de la distorsión armónica. Los amplificadores basados en transistores, especialmente de los años 80, utilizan típicamente grandes cantidades de realimentación negativa. Lo que conlleva a que la distorsión armónica total sea pequeña. Los amplificadores de válvulas electrónicas tienen poca o no tienen realimentación negativa y en los últimos años ha habido la tendencia de utilizar cada vez menos realimentación en los amplificadores de transistores con etapas más lineales que han disminuido las diferencias sonoras entre un diseño de transistores y de válvulas electrónicas. Al momento de escuchar las señales amplificadas por amplificadores de estado sólido versus amplificadores de tubos se podría percibir que suenan diferente. El problema está en definir en qué consiste “sonar diferente”, pues en realidad la respuesta está dada por un complejo problema de psicoacústica. La respuesta que presentan los amplificadores
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conformados con tubos presentan mayor distorsión que los de los transistores, lo cual desde el punto de vista de un ingeniero puede no ser lo ideal pero el punto clave está en que debe considerarse que la respuesta del oído humano es diferente a la de un osciloscopio y lo que se considera ideal en las matemáticas no necesariamente resulta ser lo mejor para el oído. El margen de saturación entre los diferentes tipos de amplificadores varía ampliamente entre ellos, todos los estudios demuestran que cualquier amplificador agrega distorsión a la señal tan pronto como se alcanza el punto de saturación. Además se puede lograr saturación hasta un punto en que la distorsión no sea notable. Por lo tanto estas distorsiones que no logran ser identificadas pueden ser la causa del cambio en el color del sonido obtenido entre los tubos y los transistores. Existe una relación cercana entre la distorsión y lo que se conoce como color en música y que puede resultar la verdadera clave para comprender la diferencia en sonoridad de los tubos y los transistores. Las características del color de un instrumento están determinadas por la presencia o ausencia de los primeros armónicos, cada uno de los armónicos de menor amplitud presentes en la distorsión le brinda diferentes efectos característicos según sea el caso. Existe una clasificación de los armónicos en dos grupos tonales como lo son los armónico pares (2, 4 y 6) relacionados con producir un sonido más coral y los armónicos impares (3 y 5) relacionados con producir sonidos menos placenteros al oido. Musicalmente la presencia de la segunda armónica es casi inaudible por estar una octava por encima de la fundamental logrando una sonoridad más llena, mientras que la tercera armónica conforma un intervalo de quinta o de duodécima con la fundamental que en lugar de enriquecer el sonido lo debilita. Al parecer el oído es más sensible a los armónicos impares por lo que la importancia está en controlar su amplitud. En términos generales para los amplificadores con tubos pentodos o triodos en el espectro de la señal de salida predomina la segunda armónica por encima de las otras armónicas, por lo que el sonido proveniente de estos tendrán típicamente un ataque más suave y las frecuencias bajas serán más prominentes dando un sonido más cálido. (Russel O, 1973)
17
2.2.5 Conectores de audio Dentro de los tipos de conectores utilizados en equipos de audio, existen dos de ellos utilizados mayormente en equipos de procesamiento y control de audio como los preamplificadores y compresores, conocidos según estándares comerciales como el XLR o canon y el jack o plug. XLR: El XLR-3 o canon es un tipo de conector utilizado para aplicaciones de audio profesional. Su apodo canon, se debe a que los primeros que se usaron en España, estaban fabricados por la marca ITT/CANON, y llevaban canon grabado en el chasis. XLR son las siglas en inglés de Xternal live Return; en español, Retorno Extremo Vivo. El 3 indica que dispone de 3 puntas conectoras, ya que posteriormente a su aceptación como estándar se introdujeron los conectores de 4, 5, 6,7 y 8 puntas (Figura 2-9).
Figura 2-9 Conector tipo canon o XLR
Jack: Un jack plug es un conector de audio conocido como phone jack especialmente para el tamaño original de ¼ (Figura 2-10).
Figura 2-10 Conector tipo jack o plug
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Estos conectores además pueden ser clasificados según el manejo de la señal eléctrica, los conectores no balanceados poseen en sus conexiones una señal positiva y la señal de tierra (Figura 2-11) estas conexiones no son las más recomendables para el manejo de audio debido a que pueden ser muy susceptibles a interferencias electro-magnéticas, particularmente cuando las distancias de cable son largas. Mientras que los conectores balanceados manejan señales diferenciales, poseen una señal positiva, su correspondiente negativa y la señal de tierra (Figura 2-12).
Figura 2-11 Conectores XLR y plug de ¼” de entrada no balanceada
Figura 2-12 Conectores XLR y plug de ¼” de entrada balanceada
2.2.6 Fuentes de corriente conmutadas tipo Flyback Las fuentes conmutadas son convertidores DC-DC con aislamiento galvánico entre la entrada y la o las salidas. Los convertidores tipo Flyback son muy populares por su bajo costo y simplicidad, además por brindar la posibilidad de generar varias salidas. Tiene la misma estructura que un convertidor Boost con un transformador en lugar de un inductor. Gracias a ello, se pueden alcanzar altas relaciones de conversión.
19
En la Figura 2-13, se muestra un diseño básico de una fuente de alimentación de una salida tipo flyback, basado en el uso de un interruptor tipo IRIS40xx.2 La serie de IRIS40xx está conformada por pequeños circuitos integrados compuestos por un mosfet y un circuito integrado de fuente conmutada de control en un sólo empaque diseñados principalmente para ser utilizados en topologías de conversores tipo Flyback.
Figura 2-13 Circuito típico de una fuente de alimentación
En el circuito se encuentran en primer lugar un filtro EMI (interferencia electromagnética) formado por los componentes L1 y C1, seguidamente se tiene el puente de diodos DB1 el cual es utilizado para el caso de entrada de corriente alterna (AC). El capacitor C2 conforma el filtro de salida del puente de diodos que definirá el rizado o ripple de la señal. Los diodos D2 y D6 son los rectificadores de salida, los cuales están sujetos a los valores pico y rms de las corrientes de salida, son los componentes que suelen tener mayor emisión de potencia en este tipo de fuentes por los que su diseño debe ser para diodos tipo schottky. El
2
Ver apéndice nota de aplicación AN-1025
20
capacitor de salida C7 debe ser diseñado cuidadosamente teniendo en cuenta factores como el rizado de la corriente, la temperatura de operación, etc., para garantizar la confiabilidad en el voltaje de salida. La bobina L2 y el capacitor C9 conforman el filtro de salida de la fuente, filtro LC que contribuye a disminuir el ruido de conmutación de la salida al establecer una frecuencia de corte relativamente menor a la frecuencia de operación. Los componentes R3 y C6 son elementos que permiten polarizar el IRIS40xx y son necesarios para alimentar el circuito hasta que el bobinado del transformador sea capaz de proveer el voltaje Vcc de alimentación. Los componentes R6, R7, C5 y D5 conforman el circuito detector de corriente, R7 es la resistencia principal de detección mientras que R6 y C5 forman un filtro de la corriente pico al momento de encendido del FET, D5 es un diodo schottky utilizado para llevar a tierra el pin 1 del IRIS40xx (denominado “source”) en caso de voltajes negativos en la fuente. D3, D4, C4 y R5 forman un circuito de retraso para realimentar la señal casi resonante del bobinado de polarización al pin 5 del IRIS40xx (denominado FB de feedback) y para proveer una corriente constante de 1.35mA a la compuerta del IRIS40xx. D1, C10 y R11 conforman una red amortiguadora. (Figura 2-14)
Figura 2-14 Circuito equivalente al circuito de retraso de la fuente de alimentación flyback basada en el uso de un IRIS40xx.
Finalmente, se encuentra un lazo de control de voltaje, que está compuesto por el optoacoplador OP1y los componentes R4, D1, R8, R9, R10 y C11, el mismo puede ser reemplazado por un método más preciso para obtener el voltaje de salida, al colocar un regulador LM431
CAPÍTULO 3. MARCO METODOLÓGICO
3.1 Tipo de investigación
Para catalogar una investigación lo primero que debe definirse son los objetivos de la misma, según García Córdoba: “La investigación tecnológica tiene como fin obtener un conocimiento para lograr modificar la realidad de un estudio, vinculando la investigación y la transformación. Tratar de ir de las ideas a las acciones para generar bienes o servicios y facilitar la vida del hombre. Persigue un conocimiento práctico, que sea más un conjunto de instrucciones a seguir para transformar el objeto, que explicaciones teóricas respecto a las cualidades del mismo”. (García Córdoba, 2007). Como se observa en el capítulo 1, el objetivo principal de este proyecto de grado es desarrollar un preamplificador de audio de muy baja distorsión, gran rango dinámico y con la capacidad de compresión de la cadena de audio a ser grabada en un estudio de sonido utilizando válvulas electrónicas, basándose en esto la investigación se enmarca en un tipo de investigación tecnológica. De aquí que este trabajo consiste en la puesta en marcha de una idea innovadora, llevada a cabo a través de un diseño desarrollado en base a la documentación realizada y a un procedimiento de implementación que puede ser repetido y mejorado para futuras versiones de este primer prototipo. De esta manera el trabajo desarrollado consta de las siguientes fases o etapas:
3.2 Fases del proyecto
3.2.1 Exploración Durante esta fase del proyecto se realizó la documentación y familiarización con todos los temas necesarios para la comprensión del tema a desarrollar. Así mismo, se adquirieron además un conjunto de herramientas para el diseño, puesta en marcha y solución de problemas asociados a la construcción del prototipo. Se consultó información de diversa índole, tanto
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teórica como experimental, la cual permitió determinar actividades prácticas, probables y útiles para las diferentes etapas del prototipo. De igual forma, se realizó el estudio de equipos preamplificadores comerciales de audio con compresor para obtener una orientación sobre los parámetros que debía contener el equipo de manera que pudiera ser competitivo con los del mercado. Las características observadas fueron las siguientes: interruptor de encendido y apagado del equipo, interruptor de encendido y apagado de la fuente phamton, interruptor de encendido y apagado del compresor, entrada balanceada de micrófono e instrumento, impedancia de entrada aproximada de 100KΩ, impedancia de salida aproximada de 500Ω, ganancia del preamplificador entre 0dB y 54dB, voltaje de umbral entre -20dBy 20dB, relación de compresión entre 1:1 y 100:1, el tiempo de ataque entre 1 ms y 11ms, tiempo de relajación entre 250ms y 5seg, rango dinámico de 118dB y vúmetro.
3.2.2 Diseño El diseño se basó en la definición de las características y especificaciones del equipo para determinar de las etapas necesarias y requerimientos electrónicos del circuito. Una vez definido el circuito principal del preamplificador, se prosiguió a definir y diseñar la etapa de compresión. Además de definir y diseñar la electrónica del circuito, en la etapa de diseño se determinó de igual manera el tipo de componente a utilizar dependiendo de sus especificaciones y empaque del mismo, además de seleccionar los formatos electrónicos de impresión o footprints adecuados para el momento del diseño del circuito impreso. Una vez diseñado el circuito final se procedió a elaborar el circuito impreso. Para la elaboración de los circuitos impresos se utilizó como herramienta el programa Orcad Family Release 9.2 Layout PLUS®. En cuanto a esta etapa del circuito las consideraciones de diseño más importantes fueron: El circuito impreso sólo contiene 2 capas para la colocación tanto de los componentes como de las pistas. La sección ocupada por la etapa de amplificación de la señal principal de audio conformada por las válvulas electrónicas no debían contener pistas de señales
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que atravesaran la sección por la capa inferior del circuito para minimizar las capacitancias parásitas. Los planos de tierra fueron cableados manualmente para garantizar que el grosor de las pistas fuesen de 20 mils para señal y 50 mils para potencia, para el circuito correspondiente a la fuente de alimentación de los filamentos se diseñó un plano de tierra en la capa superior del circuito y un plano de Vcc=12,6V por la capa inferior del circuito El tamaño del circuito impreso estuvo definido por la configuración del panel tanto frontal como posterior del equipo en donde se consideraron los tamaños de los diales, vúmetros, interruptores y conectores. Para el diseño de la caja del prototipo se utilizó la herramienta de Microsoft Office Visio 2003®. A partir de las dimensiones del circuito impreso y los componentes a colocar en el panel se definió la distribución y dimensiones de una caja prototipo para un solo canal de audio donde se colocaría el preamplificador.
3.2.3 Simulaciones Durante esta fase se realizaron simulaciones con el programa Orcad Family Release 9.2 Capture CIS®, se analizaron los resultados y a partir de estos se tomaron las decisiones de cambio de algunos componentes o circuitos en general definitivas para el diseño final.
3.2.4 Montaje En esta fase se realizaron en los circuitos impresos correspondientes las soldaduras de los componentes electrónicos. En el proceso de soldadura se utilizaron dos técnicas principales: soldadura de montaje superficial y soldadura de hueco o through hole. Para la soldadura tanto de componentes through hole como de montaje superficial se utilizaron los siguientes equipos: Lámpara con lupa Compresor de aire Dispensador Madell QK982B
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Punta de aire caliente Madell 850D Desoldador Madell QK201A Pick up pen SMD208 Soldador Madell QK203H Pasara para soldar R276NC con aleación 63/37 Hilo de estaño de 0.5mm de diámetro
Para el montaje de la caja del prototipo se solicitó colaboración en la construcción del prototipo en la unidad de Laboratorio E de la Universidad Simón Bolívar, a quien se les fueron entregados los planos y medidas necesarias para su construcción.
3.2.5 Pruebas finales Durante esta fase se realizaron las mediciones necesarias, se verificó el adecuado funcionamiento de los circuitos, se realizaron las calibraciones y ajustes necesarios del equipo. En las pruebas realizadas se implementaron básicamente dos etapas: la primera etapa, una vez soldados los componente se realizaron las pruebas con osciloscopio utilizando una fuente de alimentación Maxireg 761 WE disponible en el laboratorio, se verificaron los valores de voltajes y corrientes, requerimientos de disipación de los componentes, calibración de algunos componentes y del equipo; la segunda etapa consistió en realizar las pruebas con la fuente final diseñada y construida para el equipo. Los equipos utilizados en esta etapa fueron: Osciloscopio digital Tektronix TDS210 Multímetro digital UNI-T UT58D
CAPÍTULO 4. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PREAMPLIFICADOR
A continuación, en la Figura 4-1, se observa un diagrama de bloques de las partes que conforman el preamplificador de audio.
Figura 4-1 Diagrama de bloques del preamplificador de audio
La señal de audio proveniente de un micrófono o un instrumento musical entra al
preamplificador a través de un conector de audio tipo canon balanceado, en la etapa de preamplificación la señal entra a la cadena de preamplificación basada en válvulas electrónicas y es controlada en rango dinámico por el compresor que toma la señal de salida y es comparada con un voltaje de umbral establecida por el usuario a través de una interfaz,
finalmente la señal amplificada sale a través de un conector canon balanceado para ser enviada a la siguiente etapa de la cadena de audio. El equipo posee de forma integrada una fuente
conmutada de configuración flyback que alimenta todo el equipo. A continuación se describen detalladamente las etapas de diseño y construcci construcción ón de cada una de las partes del equipo: preamplificador, compresor y fuente de alimentación y finalmente de la caja del equipo.
26
4.1 Diseño y construcción del preamplificador
Figura 4-2 Diagrama de bloques de la etapa de preamplificación del equipo preamplificador de audio
En la Figura 4-2 se observa un diagrama de bloques de la etapa de preamplificación donde se presentan las secciones que conforman el circuito. Los tres bloques superiores de las diferentes etapas de amplificación forman parte de la cadena principal por donde pasa la señal
de audio y su electrónica está basada únicamente por válvulas electrónicas. A continuación, en la Figura 4-3, se presenta el circuito de la etapa de preamplificación de la cadena principal de audio:
DC = 0.01 AC = .01 TRAN = 0
V4
0
R13 50k
R4 50k
R14 50k
R3 50k
V3B 5670
Vkk
V3A 5670
6
9
9
7
3
500k
R18
3
7
9
6
5670
V4B
5670
V4A
1 8
1 2
V5 AC = 0 TRAN = 0 DC = 0
9
4
7
3
8 1
6
R9 50
R7 50
2 1
4
R16 50k
9
9
50k
R1
V2B 5670
0
I1
V2A 5670
6mA
7
3
0
6
Vpp
9
4mAdc
I2
9
4
Vpp
R15 50k
1 8
1 2
R2 50k
V5B 5670
R10 50
R8 50
V5A 5670
2
2
3 4
7
R11 3.3k
R6 3.3k
3 4
7
Figura 4-3. Circuito correspondiente a la cadena de preamplificación de la señal de audio
8 1
2 1
4
500k
R17
5
5
V6 EL86
9
9
V1 EL86
47u
C3
0
47u
C2
2k
R12
2k
R5
27
28
En primer lugar se observa que en el circuito la señal es tratada de manera diferencial, las válvulas 3 y 4 conforman la primera etapa controlada por voltaje (fuente V5), este voltaje proviene del compresor y su rango se encuentra entre -12 y 0 voltios, el voltaje es establecido mediante dos modalidades: si el compresor está apagado el usuario establece mediante la interfaz del equipo una ganancia fija que alimenta la rejilla de los tubos con un voltaje fijo, esta ganancia determinará la ganancia total de amplificación de la señal a la salida; si el compresor está encendido, los circuitos del compresor estiman el voltaje que debe ser establecido en la rejilla de los tubos basado en el voltaje de umbral y el relación de compresión escogida por el usuario igualmente a través de la interfaz. Seguidamente se encuentra la etapa de amplificación controlada por corriente conformada por las válvulas 2 y 5, las fuentes de corrientes señaladas como I1 e I2 están diseñadas por otra configuración basada en válvulas explicada más adelante. Finalmente la última etapa de amplificación está conformada por dos pentodos V1 y V6. El bloque de alimentación de los filamentos de los tubos está definido por el circuito de la Figura 4-4:
100u
C12
R31 1k
R27 10k
C33 0,1u
R30 1k
C15 2.2n
R32 2.2k
R26 1k
C16 .1u
0
C27 22u
TL494
VCC
COMP DTC OC
CT RT VREF
IN1+ IN1IN2+ IN2E1 E2
C1 C2 9 10
8 11
0
R24 1k
0
4
2
R25 1k
+
12,6
0
0
C28 22u
5 U2B MC33152
0
U2A MC33152 + 7
12,6
C25 0.33u
0
0
C29 22u
1 2 3 4
3
U4 FDS4935 8 S1 D1B 7 G1 D1A 6 S2 D2B 5 G2 D2A
U1 FDS6911 8 S1 D1B 7 G1 D1A 6 S2 D2B 5 G2 D2A
0
VOUT
7805/TO
1 2 3 4
12,6
VIN C26 22u
+5
2
1
T1
3
4
6 5
8 7
10 9
12 11
14 13
TRAN_FBP1S4/SM 15
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
D7
D5
D4
D3
D2
D1
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
1
1
1
1
1
L5
L4
L3
L2
L1
1
1
2
2
2
2
2
10uH
2
2
C14 22u
C11 22u
C10 22u
C9 22u
C8 22u
L7 10uH
L6
10uH
10uH
10uH
10uH
10uH
Figura 4-4 Circuito correspondiente a la fuente de alimentación de los filamentos
0
12,6
12
3 4 13
5 6 14
1 2 16 15
U3
GND
7
6 3 6 3
GND 2
U9
Vkk
C23A 22u
C22A 22u
6,3RET-2 25
6,3RET-1 6,3-2
Vkk 6,3-1
6,3-0
6.8k
R29
VIN
U8
C23 0.33u
2
VIN
U7
C22 0.33u
1
D6 48V
48
0
48RET
0
VOUT
7915/TO
VOUT
7815/TO
+12.6
C13 10u
+250 -250
Q1 Q2N3904
12,6
Vkk
Vpp
GND 2 GND 1
1
3
3
1 2 3 4 5 6 7 8
C17 22u
C18 22u
J5
-15
+15
29
30
Mediante el uso de un modulador de ancho de pulsos TL494 se configuró una fuente conmutada de configuración reductora en donde un driver a la salida del TL494 controla los switches tipo mosfet a la entrada del transformador. El transformador fue diseñado y construido para obtener siete salidas correspondientes a los tres voltajes de alimentación de los filamentos a 6,3V, una salida de 25V para la alimentación de reguladores de precisión utilizados en la fuente de filamentos, una salida de 48 para alimentar la fuente phantom, 15V y -15V de alimentación de algunos de los circuitos integrados utilizados en el resto de los circuitos. Utilizando la ecuación 4-1 de relación de campo magnético y la ecuación 4-2 de relación a vueltas se calcularon los parámetros del transformador:
4-1
4-2
,
En la ecuación 4-2, el término que acompaña a Vs corresponde a un 10% de ajuste que corresponde a la no idealización de los componentes y el término de1V corresponde a la caída de los diodos schottky a la salida del transformador. El voltaje de primario mínimo es de 12V, la frecuencia de operación es de 50KHz y el área del núcleo toroidal es de 6,2e-5m2. En la Tabla 4-1 se presentan los cálculos realizados para dichos parámetros.
31
Tabla 4-1. Parámetros del transformador de la fuente de filamentos Primario del transformador
Pp
27,0
W
Potencia del primario
Np
5
Ip
2,3
A
Corriente del primario
awg
22
Vueltas del primario
Secundario del transformador P1
7,7
W
Potencia 1er del secundario
N1
5
Vo1
6,3
V
1er Voltaje del secundario
awg
26
Iout1
1,1
A
Corriente 1ra salida del secundario
P2
2,6
W
Potencia 2do del secundario
N2
5
Vo2
6,3
V
2do Voltaje del secundario
awg
26
Iout2
0,4
A
Corriente 2da salida del secundario
P3
2,6
W
Potencia 3ero del secundario
N3
5
Vo3
6,3
V
3er Voltaje del secundario
awg
26
Iout3
0,4
A
Corriente 3ra salida del secundario
P4
2,6
W
Potencia 4to del secundario
N4
17
Vo4
25,0
V
4to Voltaje del secundario
awg
26
Iout4
0,1
A
Corriente 4ta salida del secundario
P5
2,7
W
Potencia 5to del secundario
N5
34
Vo5
52,0
V
5ta Voltaje del secundario
awg 26
Iout5
0,1
A
Corriente 5ta salida del secundario
P6
4,8
W
Potencia 6to del secundario
N6
13
Vo6
18,0
V
6er Voltaje del secundario
awg
6
Iout6
0,3
A
Corriente 6ta salida del secundario
P7
4,3
W
Potencia 7mo del secundario
N7
13
Vo7
-18,0 V
7mo Voltaje del secundario
awg
26
Iout7
0,3
A
Corriente 7mo salida del secundario
Ps
27,0
W
Potencia total secundario
Vueltas 1ero del secundario
Potencia 2do del secundario
Potencia 3ero del secundario
Potencia 4to del secundario
Potencia 5to del secundario
Potencia 6to del secundario
Potencia 7mo del secundario
32
En la Figura 4-5 se observa el transformador finalmente construido utilizado en el circuito.
Figura 4-5 Transformador de la fuente de filamentos construido
El filtro de salida del transformador está conformado por bobinas que fueron diseñadas con la herramienta de Micrometals inductor design software ©2005 y bobinadas a mano según los datos calculados por el software, ver resultados en Anexo 1(Hill, 2005). El bloque de alimentación de corriente de los filamentos de los tubos presentes en la etapa de amplificación controlada por corriente está definido por el circuito de la Figura 4-6. El circuito está basado principalmente en un regulador de voltaje de precisión que establece el voltaje de rejilla de los tubos que proporcionan la corriente a los tubos de la etapa de amplificación controlada por corriente del preamplificador.
R35 5.10k
22u
R36 200
C19 1u
R37 4.00k
5 9 6
2 3 4 + + Vz Vref
CL CS -
7
C30 12 Vcc+ Vcc-
11
R41 10k
R33 1k 1
2
4
R45 1.00k
R42 3k
7 3
5
6
V7 5654
6,3-0 Vkk
Vkk
R38 5.10k
22u
C31
R39 200
C20 1u
R40 750.00
5 9 6
2 3 4
+ + Vz Vref
CL CS -
25
OUT
de amplificación del circuito controlada por corriente
10
U6 uA723C
Figura 4-6. Circuito correspondiente a la fuente de corriente que alimenta la etapa
10
U5 uA723C
OUT
Vc
4mA
7
COMP 13
12 Vcc+ Vcc-
11 Vc COMP 13
25
R43 10k
R34 1k
1
2
4
R46 1.00k
R44 2k
7 3
5
6mA
6
6,3-0 Vkk
V8 5654
33
34
Una vez definido el diseño definitivo se recurrió a la simulación de los circuitos. Para la simulación se utilizó como herramienta el programa Orcad Family Release 9.2 Capture CIS®. Al realizar la simulación del barrido de corriente continua de la fuente de voltaje V5 entre 12V y 0V del circuito de la Figura 4-3 se obtuvo la gráfica observada en la Figura 4-7, la cual al aplicársele logaritmo al eje de las ordenadas se obtuvo la gráfica observada en la Figura 4-8. 8.0V
6.0V
4.0V
2.0V
0V -12V V(V1:K,R11:1)
-10V
-8V
-6V
-4V
-2V
0V
V_V5
Figura 4-7 Respuesta de barrido de tensión continua del circuito del preamplificador. Esta simulación se obtuvo haciendo un barrido lineal de la fuente de Voltaje V5 en el rango de -12V a 0V 10V
1.0V
100mV
10mV -12V V(V1:K,R11:1)
-10V
-8V
-6V
-4V
-2V
0V
Figura 4-8 Respuesta de barrido de corriente continua del circuito del preamplificador aplicando logaritmo en el eje de las ordenadas. Esta simulación se obtuvo haciendo un barrido lineal de la fuente
de Voltaje V5 en el rango de -12V a 0V
35
Mediante la gráfica de la Figura 4-8 se determinó el área en la cual el amplificador realiza una amplificación lineal de la señal de entrada la cual corresponde al rango entre aproximadamente los -10V y -1V de la fuente de voltaje V5, la fuente V5 correspondería entonces al voltaje que el compresor aplica sobre el preamplificador o bien al voltaje equivalente a la ganancia requerida. El circuito que representa la fuente V5 se encuentra en la Figura 4-9 en el cual mediante la resistencia R55, se mide un voltaje proporcional a la entrada del amplificador.
R54
4
-15
-
M2N6851
1
V+
1k
8
+
M1
R53
OUT comp_out 3
0
AD712/AD V-
2
1k
U10A
+15
GainControl C24
R55
22p
2k
Vkk
Figura 4-9 Circuito de establecimiento del voltaje alimentación de la etapa de amplificación
controlada por voltaje del preamplificador
Por otro lado se realizó la simulación del circuito de la Figura 4-3 para un barrido en frecuencia desde 1Hz hasta 1MHZ observando la salida del preamplificador para una entrada de 0.01V y un barrido paramétrico lineal de la fuente V5 entre -12V y -1V. Se observa que la respuesta es totalmente lineal en el rango aproximado de los 10Hz y 1 MHz ofreciendo una respuesta en frecuencia bastante amplia del equipo y una ganancia aproximada de 55dB (Figura 4-10)
36
6.0V
4.0V
2.0V
0V 1.0Hz
10Hz ... V(C2:2,C3:2)
100Hz
1.0KHz
10KHz
100KHz
1.0MHz
10MHz
Frequency
Figura 4-10 Respuesta del barrido de corriente tipo logarítmico por décadas desde 1Hz hasta 10MHz con 100 puntos por décadas, con barrido paramétrico lineal de la variable V5 desde -12V a -1V
La Figura 4-11 muestra el circuito final de la cadena principal del amplificador de audio.
R76 10k
R75 1k
48RET
C7 100u
14 1
R4 100
2 6
48
7 8
0
R17 27k
1 2 3
JR1 HEADER 3
R8 27k
0
C6 10u
C5 10u
C2 10u
C1 10u
R16 50k
R9 50k
R19 500k
0
R6 500k
0
V3B 5670
CVkk 10u 8 1
2 1
V3A 5670
6
4
9
9
R20 500k
7
3
R7 500k
Figura 4-11 Circuito final del preamplificador de audio
1 2 3
J1 HEADER 3
RL1 RELAY SPST
0
PhantomCTR+
R74 1k
7
GainControl
3
9
9
6
4
V4B 5670
1 8
1 2
6,3-0
Vkk
V4A 5670
0
6mA
CVpp 10u
V2B 5670
7
R12 50
3
V2A 5670
8 1
2 1
6
4
R22 50k
9
9
R1 50k
6,3-1
6,3RET-1
7
6,3-2
6,3RET-2
3
6
Vpp
9
9
4
Vpp
R23 50k
1 8
1 2
R2 50k
V5B 5670
R13 50
5670
V5A
R14 3.3k
4mA
R10 3.3k
2
2
3 4
3 4
7
7
5
V6 EL86
9
12,6
C4 47u
0
0 C3
47u
5
9
V1 EL86
out+
R21 10k
R15 2k
R11 2k
R3 10k
0
1 2 3
JR2 HEADER 3
37
38
Para el diseño de los circuitos impresos de todos los esquemas se siguieron los pasos
señalados previamente en el capítulo del marco metodológico. En el Anexo 2 y Anexo 3 se encuentran los planos de los circuitos impresos correspondientes al preamplificador tanto en
su capa inferior como superior. Una vez terminados y recibidos por parte de la empresa encargada de realizar las tarjetas se presentaron problemas importantes de señalar: Como se observa en la Figura 4-12 el detalle de los impresos es de mala calidad pues incluso no lograron realizar el trazado en detalle de la totalidad de las pistas, al realizar la soldadura de los componentes las pistas se despegaban y levantaban del circuito dificultando el trabajo de soldadura y buena conexión de los componente.
Figura 4-12 Detalle de las tarjetas del circuito impreso del preamplificador. En la tarjeta de la izquierda se observa la falta de detalle en la realización de las pistas comparada con la tarjeta
observada a la derecha de la imagen.
39
4.2 Diseño y construcción del compresor
El diseño del compresor de rango dinámico está basado en una configuración de realimentación o feedback, en este tipo de configuración la señal de salida del compresor es
detectada y se estima la atenuación que debe aplicarse a la señal. La ganancia de reducción es aplicada a la señal de entrada cerrando el ciclo de realimentación. En la Figura 4-13 se observa un diagrama de bloques que refleja refleja el camino que recorre la señal en el compresor.
Figura 4-13. Diagrama de bloques del compresor
En el primer bloque se encuentra un buffer o seguidor de voltaje, utilizado debido a que posee una impedancia de entrada del orden de los MΩ M por lo tanto extrae una corriente
despreciable de la señal de entrada. El buffer consiste en un amplificador con configuración inversora de ganancia unitaria para obtener la mis misma ma señal de entrada a la salida, el circuito
aísla la señal de entrada de los efectos que puede causar la carga a la salida del mismo. En la siguiente etapa o bloque se encuentra un rectificador de precisión (Figura 4-17): un rectificador común no consigue rectificar señales de niveles muy bajos debido a que no conduce cuando está polarizado con tensiones inferiores inferiores a su voltaje umbral. Sin embargo en
40
ocasiones se necesita rectificar señales de decenas de milivoltios o menos; el circuito cuenta con un rectificador de media onda que deja circular la media onda negativa de la señal: cuando Vin es menor que cero en el ánodo del diodo D1 se tiene +Vin y en el cátodo se tiene cero voltios debido a la tierra virtual, en esta situación el diodo D2 está apagado y el voltaje de salida es cero; cuando el voltaje Vin es positivo el diodo D1 está apagado al tener entre ánodo y cátodo un voltaje prácticamente igual a –Ve luego el voltaje de salida es –Vin. El segundo operacional está configurado como un sumador para dos señales, una de ellas es la tensión de entrada a rectificar y la otra es la señal de salida del rectificador de media onda negativa, por la relación de resistencias utilizadas la señal de salida es amplificada al doble por lo que Vout del rectificador de precisión es la siguiente: Vout= Vin+2Vsalida=-(Vin-2Vin)=Vin
4-3
En el siguiente bloque se encuentra un comparador LM339 con el voltaje umbral como voltaje de referencia. El voltaje umbral es el nivel seleccionado por el usuario en que se inicia la compresión una vez que la señal de audio de entrada sobrepasa el mismo y se comienza así a reducir la ganancia de la señal de audio, este nivel suele ser fijado por encima del valor promedio de la señal pero por debajo del nivel de los picos de la misma. En el filtro formado por las resistencias R29, R34, Rattack, Release y C12 determinan los tiempos de ataque y relajación del compresor y forman parte del siguiente bloque del compresor. La señal de salida del compresor pasa por las resistencias R29 y Rattack que cargan el condensador de 10µF, el valor R29 corresponde al tiempo mínimo de ataque del compresor de 20µs y Rattack corresponde a un potenciómetro utilizado como resistencia variable que permite variar este tiempo hasta el tiempo máximo de 50ms. Una vez cargado el condensador, la descarga se realiza a través de las resistencias R34 y Rrelease que determinan el rango del tiempo de relajación entre 10ms y 1s. En el bloque de selección del radio de compresión, el radio deseado se selecciona mediante un divisor de voltaje definido por un potenciómetro, este potenciómetro fue calculado de la siguiente manera: a partir de la gráfica mostrada en Figura 4-8 se tomó una aproximación de línea recta cuya pendiente está expresada en dB/V, esta relación dB por
41
voltios permite definir una relación entre el voltaje necesario para comprimir los dB deseados por el usuario. Los radios de compresión se encuentran entre un rango de 1:1 a 10:1. Finalmente, el último bloque está conformado por un amplificador sumador del voltaje de compresión seleccionado y la ganancia total del sistema deseado y seleccionada a través de un potenciómetro. Los potenciómetros correspondientes al voltaje de umbral, el radio de compresión y la ganancia son potenciómetros multivueltas que permitirán al usuario a través de unas tablas referenciales seleccionar de manera precisa los valores deseados para el manejo de la señal de audio (Anexo 10). En la Figura 4-14 se observa la señal de salida (señal verde en la gráfica) correspondiente a la simulación del funcionamiento del compresor donde la señal de entrada pulso de 1V (señal azul en la gráfica), el tiempo de ataque de 2ms, el tiempo de relajación de 20ms, el voltaje de umbral de 750mV ó -2,49dB (señal roja en la gráfica), el radio de compresión de 2:1 y ganancia de 68,56dBm 1.0V
0.0V
-1.0V
-2.0V
-3.0V 0s V(u8A:OUT)
10ms V(N330106)
20ms V(N413432)
30ms
40ms
50ms Time
Figura 4-14. Simulación del circuito del compresor
60ms
42
Una vez finalizado el esquema circuital del compresor se realizó el circuito impreso (Anexo 4), la particularidad de este circuito radica en que el mismo es una tarjeta removible a través de un conector tipo molex incluido en la tarjeta, de esta manera puede ser removida de la tarjeta del preamplificador permitiendo así que para versiones futuras pueda ser modificado y mejorado (Figura 4-15).
Figura 4-15. Tarjeta final del circuito del compresor
En la Figura 4-16 se muestra el circuito final del preamplificador con el compresor.
Figura 4-16 Montaje final del circuito del preamplificador más compresor.
0
+
-
c:\test1.txt
V13 V
3
2
11
VCC2
1
R20 1k
U1A TL084
VEE
OUT
V-
V+
4
0
R21 10k
3
2
0
+
-
11
U2A TL084
VEE
OUT
V-
V+
R24 20k
VCC2
4
1 D1 D1N4148
10k
R23
3
2
0
+
-
U3A TL084
1
3 2
VCC2
1
R26 1meg
V
0
R27 1meg
5
4
+
-
0
OUT
R28 1meg
VCC2
2
Lm339A R29 2
Rrelease 1k
1k
Rattack
VCC2
R34 1k
C12 10u
Figura 4-17. Esquema circuital del compresor
R-Vth
VCC2
OUT
VEE
R25 20k
11 VV+ 4
12 VV+ 3
2
3
-
+
VCC2 4
VEE
1
U6A TL084 OUT
V+ V11
Rratio 5k
R36 40k
0
+
-
R-gain
3
2
11
U7A TL084
VEE
1
0
2
VCC2 3
VCC2
3
2
OUT
VV+ 4
D2 D1N4148
+
-
1
11
U9A TL084
VEE
1k
VCC2
1
R39
OUT
VV+ 4
R42 1k
3
2
0
1k
R40
VCC2
+
-
VEE
R41 1k
11
u8A TL084 OUT
VV+ 4
R22 10k
1
43
44
4.3 Diseño y construcción de la fuente de alimentación
El diseño de la fuente de alimentación está fundamentada en una fuente conmutada DC-DC tipo flyback, basada en el uso de un interruptor tipo IRIS40xx (Adams, 2001). La fuente posee tres salidas: +250V y 500mA -250V y 50mA +12,6V y 10A. La potencia total de la fuente es de 276W. En la Figura 4-18. Circuito final de la fuente de alimentación conmutada. Una de las etapas de construcción de la fuente más importante es la construcción del transformador, a continuación se explica las consideraciones y etapas del diseño.
TP11 Vret
C6 100n
4
TP10 1
Isw
R23 0.26
C21 56p
1
3
2
1 2 3
T1 TRAN_HM31
3
100n
C7
U1 IRIS4015
D
S
R24 0.26
1
4
5
1.5n
C9
1.5n
C4
750
R22
D15 10BQ030
FB
Vcc
TP8 FB
2
TP5 Vcc
C24 39u
1 2
C26 330p
C12 330u
C5 330u
C19 10n
Vret
D16 1N4148
R18 2.7k
1
+V
FB
Q2 2N3904
R19 1k
L5
R7 220k
R2 220k
R14 750
Q1 2N3906
R6 220k
R1 220k
1 J4
3 1
TP1 +V
2
C27 470p
D13 1N4148
D10 1N4148
TP4 Vsw
C8 5.6n
R11 10
R25 750
R20 1.8k
D14 14V
C20 10n
D12 1N4148
D6 STTH112U
R8 2.4k
R3 2.4k
R21 15k
4
6
5
1
2
T2 ETD39/20-250VDC@500mA
3
U2 H11817
2
1
C22 1.5n
9
11 10
12
13
14
15
16
U3 LM431
D9 47CTQ020
C23 100n
D8 STTH112U
D1 STTH112U
Figura 4-18. Circuito final de la fuente de alimentación conmutada
C25 470p
C28 1u
J2
4
D2 4A 600V
2 1
J1
1
-
Gnd
C16 3300u
C15 1u
C1 68u
1
1mH
L1
C17 3300u
L3
C2 1u
1
2
L4
R15 510
1
2
1mH
22uH 2
C14 1u
C3 1u
R17 3.09k
R13 500
R12 12.7k
R10
0
D3
C18 3300u R16 750
D11
+12.6
-250
+12,6V @ 10A
-250V @ 50mA
+250V @ 500mA
276 Vatios
R9 25k
C13 2.2u
R4 200k
+250
1
1
1
1 2 3 4 5 6 7 8
1
J3
TP7 6,3
2
TP6 Bias
1
+ 1
1
TP2 450 TP9 GND
45
46
4.3.1 Diseño y construcción del transformador Para el diseño y construcción del transformador de la fuente de configuración flyback basada en el uso del IRIS4015 se utilizó como referencia la nota de aplicación AN-1040 y una hoja de datos de Excel disponible en la página de internet de International Rectifier (International Rectifier, 2001). En primer lugar se definieron parámetros de la fuente tales como voltaje de entrada, potencia de salida, frecuencia de operación mínima y máximo ciclo de trabajo.
Tabla 4-2 Parámetros de entrada requeridos para el diseño del transformador de la fuente de alimentación Parámetros de entrada requeridos VACmin 180 Volts DCripple 35 Volts Dm 0,5 Cres 56 pF Fmin 52 kHz 0,8 η Vo1 12,6 Volts Amps Iout1 10 Vfd1 0,65 Volts Vcc 18 Volts Vfdvcc 1 Volts Volts Vo2 250 Vfd2 1 Volts Amps Iout2 0,05 Vo3 250 Volts Vfd3 1 Volts Iout3 0,5 Amps
Entrada de línea AC mínima Voltaje de rizado en capacitor de entrada Ciclo de trabajo máximo Valor del capacitor de resonancia Frecuencia de operación mínima Eficiencia estimada (0.7-0.89) Voltaje principal de salida requerido Corriente principal de salida requerido Voltaje directo del diodo de salida principal Voltaje de polarización Vcc deseado (16-20V) Voltaje directo del diodo de polarización Voltaje de 2da salida Voltaje directo del diodo de 2da salida Corriente de 2da salida Voltaje de 3ra salida Voltaje directo del diodo de 3ra salida Corriente de 3ra salida
Una vez definidos los parámetros de la fuente se obtuvieron los datos necesarios para la construcción del transformador y se definieron las estrategias de su diseño ( Tabla 4-3 y Tabla 4-4).
47
Tabla 4-3 Parámetros de construcción del primario del transformador Primario del Transformador Np 66 Vueltas Nb 6 Vueltas AWG 23 AWG CM 512 Cirmils CMAp 204 Cirmils/ A
Número vueltas primario Número de vueltas de polarización Tamaño del cable del primario en Circular Mils Capacidad de corriente del cable del primario
Tabla 4-4 Parámetros de construcción del secundario del transformador Secundario del transformador Ns1 4 Vueltas Isp1 50,00 A Isrms1 20,41 A CMs1 4154 Cirmils AWGs1 13 AWG
Número de vueltas del 1er secundario Corriente pico del 1er secundario Corriente RMS del 1er secundario Tamaño del cable en Circular Mils
Nb CMb AWGb
6 12 39
Vueltas Cirmils AWG
Número de vueltas de polarización Tamaño del cable en Circular Mils
Ns2 Isp2 Isrms2 CMs2 AWGs2
76 0,25 0,10 21 36
Vueltas A A Cirmils AWG
Número de vueltas del 2do secundario Corriente pico del 2do secundario Corriente RMS del 2do secundario Tamaño del cable en Circular Mils
Ns3 Isp3 Isrms3 CMs3 AWGs3
76 2,50 1,02 208 26
Vueltas A A Cirmils AWG
Número de vueltas del 3er secundario Corriente pico del 3er secundario Corriente RMS del 3er secundario Tamaño del cable en Circular Mils
El transformador opera en modo discontinuo debido al uso del IRIS4015, esto significa que el campo magnético regresa a cero una vez que toda la energía del transformador es transferida al secundario. El diseño consultado en la nota de aplicación corresponde a este tipo de operación del transformador. El tipo de diseño utilizado como referencia para el bobinado implicó la disposición de unos márgenes que envuelven los bordes de la bobina, requeridos para obtener la distancia de
48
aislamiento para corrientes superficiales. Una distancia de aislamiento entre 5 y 6 mm es suficiente por lo que se puede utilizar una cinta adhesiva de 2,5 o 3 mm de espesor tanto para el primario como para el secundario (Figura 4-19). La cinta utilizada para el margen fue tela adhesiva cubierta alrededor de la bobina hasta alcanzar la altura del bobinado. Debe tenerse en cuenta que el tamaño del núcleo escogido debe permitir el ancho del bobinado disponible, tal que, sea al menos el doble de la distancia de aislamiento para corrientes superficiales requerida para mantener un buen acoplamiento y minimizar las inductancias parásitas. Como el bobinado del primario fue más de una capa se colocó un de aislante básico entre las capas de cinta adhesiva para reducir la posibilidad de ruptura entre ellas y reducir las capacitancias entre los bobinados. Otra capa de aislante (tela adhesiva) se colocó entre el primario y el bobinado de polarización. Se colocaron tres capas de aislante que cubrieran todo el ancho de la bobina entre la polarización y el bobinado del secundario, colocando nuevamente un margen en los bordes de la bobina y también entre el secundario y la segunda parte restante del primario, punto que será explicado más adelante.
Figura 4-19 Guía de construcción del transformador con margen envolventes en los bordes de la bobina
El bobinado en C de un transformador es el estilo más común y el utilizado en el diseño de nuestro transformador (Figura 4-20), en ella se muestra un bobinado en C de un primario de dos capas que va de un extremo al otro de la bobina y se devuelve al extremo donde se comenzó el bobinado.
49
Figura 4-20 Bobinado C de un transformador
En un diseño de múltiples salidas, el secundario con el mayor nivel de potencia debe estar lo más cercano al bobinado del primario para reducir las inductancias parásitas y asegurar el mejor acoplamiento. El secundario debe ser envuelto de manera que se llene todo el ancho disponible apara el embobinado, esto se puede lograr fácilmente utilizando un secundario multifilar. Utilizar la técnica de apilado del secundario mejora la regulación de carga de las salidas auxiliares, reduce el número total de vueltas del secundario y el número de pines requeridos en la bobina. La construcción del transformador tiene un gran efecto en las inductancias parásitas del bobinado del primario. Las inductancias parásitas conducen a un voltaje pico que apaga el mosfet, por lo tanto al minimizar las inductancias parásitas se obtiene un menor voltaje pico y por ende un circuito limitador (snubber) más pequeño o, incluso, inexistente en el primario. El bobinado del primario debe ser siempre concéntrico. Otra técnica utilizada en la construcción del transformador que reduce las inductancias parásitas, fue partir el primario a la mitad en el bobinado (Figura 4-21).
Figura 4-21 Bobinado del transformador separando el primario a la mitad
50
El cable para cada bobinado fue escogido en base a los resultados de las Tabla 4-3 y Tabla 4-4: Para el primario se utilizaron en paralelo cuatro cables tamaño 26, según la tabla de estándares AWG (American Wire Gauge), y se bobinaron en 33 vueltas para la primera parte del bobinado y 33 vueltas para la segunda parte del bobinado externo, al utilizar los cuatro cables en paralelo se elimina el efecto piel3. Para la polarización se utilizó un cable 22 de igual manera que para el primario y se bobinaron 6 vueltas equidistantes. Para el secundario de +250V se utilizó un cable 26 y el bobinado fue de 76 vueltas, para el de -250V se utilizaron dos cables en paralelo de 32 y el bobinado fue de 76 vueltas y para el de 12,6V se utilizó un cable de 22 y el bobinado fue de 4 vueltas. El tipo de núcleo utilizado depende principalmente de las restricciones del tamaño, el utilizado fue el ETD, que posee una amplia área de bobinado lo que la hace particularmente bueno para diseños de alta potencia o múltiples salidas (Figura 4-22)
Figura 4-22 Núcleo de ferrita ETD
3
Efecto piel o skin: en un conductor, la circulación de una corriente se distribuye en la superficie de su
sección de acuerdo a la frecuencia. En corriente continua o alterna de muy baja frecuencia, toda la sección conduce. A medida que la frecuencia aumenta, la circulación sólo se produce por las zonas exteriores del conductor. A frecuencias muy altas, sólo conduce la superficie exterior.
51
En la Figura 4-23 Imagen del transformador en el proceso de bobinado de primario. Finalmente en la Figura 4-24. Tarjeta final de la fuente de alimentación conmutada.
Figura 4-23 Imagen del transformador en el proceso de bobinado de primario.
Figura 4-24 24. Tarjeta final de la fuente de alimentación ción conmutada
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4.4 Diseño y construcción de la caja
El diseño de la caja se realizó una vez conocidas las dimensiones de todos los componentes del panel delantero y trasero del preamplificador y de la tarjeta del circuito impreso del preamplificador. El panel delantero está conformado por tres interruptores correspondientes al encendido y apagado del compresor y la fuente phantom, además de la selección de la señal a ser mostrada en el vúmetro: nivel de la señal de entrada o cantidad de dB comprimidos en la señal. Posee además el vúmetro y cinco diales: dos de ellos diales correspondientes a la selección de los tiempos de ataque y de liberación y los otros tres correspondientes a la ganancia, el voltaje de umbral y el radio de compresión, estos diales son de presición (Figura 4-25) Der
Izq 58.93mm
0,00
Ø10.31mm
Ganancia
61,214
12.9mm
19,2mm
28,7mm Ø3.17
14.3mm
8.89mm
18,034mm
Ø.125in
Ø.125in Attack
Phantom
Threshold Ø10,31mm
Compresor Ø3,17
11.6mm
Ø10.31 Ø10,31mm Release
28.5mm Ø3.17 Ø10,31mm
Figura 4-25 Plano de disposición de componentes en el panel delantero de la caja
del preamplificador
53
El panel trasero contiene los tres conectores de audio: dos tipo canon y uno tipo plug para entrada de instrumento. Además se encuentra el plano del interruptor de encendido y apagado del equipo y del conector de alimentación del equipo (Figura 4-26). Der
Izq
22,2mm
In
Ø12mm
Out 44,65mm 40mm 49.8mm
19mm R 3.1mm
19mm
Ø23.6mm
R 3.1mm Ø23.6mm
R 5mm
Ø3,4mm Ø3,4mm
R 3.1mm 13.3mm
R 3.1mm
18,3mm
Figura 4-26 Plano de disposición de componentes en el panel trasero de la caja del preamplificador
La caja contenedora del equipo está pensada inicialmente para contener la fuente de alimentación conmutada del preamplificador y cuatro espacios expandibles para contener
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hasta cuatro preamplificadores correspondientes a los cuatro canales para los cuales está diseñada la fuente, sin embargo para este primer prototipo sólo se presenta una caja con capacidad de soportar sólo uno de los preamplificadores correspondientes a un canal de audio, las dimensiones de la caja son: 186mm x 320mm x 156 mm (Figura 4-27).
Figura 4-27. Modelo de la caja del preamplificador
En los Anexo 5 y Anexo 6 se encuentran la imágenes de la caja y montaje final del preamplificador y de la fuente de alimentación conmutada.
CAPÍTULO 5. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Las pruebas realizadas en el equipo fueron las siguientes: Fuente de alimentación conmutada: Durante esta prueba se verificó el correcto funcionamiento de las señales de salida de la fuente donde se obtuvieron los siguientes resultados: Tabla 5-1 Voltajes de salida de la fuente de alimentación conmutada
Vsalida (V) -250 250 12,6
Voltaje medido (V) sin carga -312 308 15
Voltaje medido (V) sin carga -250 250 12,6
Preamplificador Las pruebas realizadas al preamplificador se llevaron a cabo en dos etapas, una primera etapa utilizando como alimentación del circuito una fuente Maxireg 761 WE disponible en el laboratorio, proporcionando 12,6V a la salida con una corriente controlada de hasta 4ª y una segunda etapa con la fuente de alimentación conmutada construida para el proyecto. En la primera etapa se comenzó a verificar el funcionamiento del circuito del preamplificador por bloques, volviendo al diagrama de la Figura 4-2, el primer bloque sometido a pruebas fue el bloque correspondiente a la fuente de voltaje de los filamentos de los tubos. Se verificó el correcto funcionamiento del TL494 observando las señales de ambas salidas del PWM, se obtuvieron dos señales complementarias de aprox. 12,4Vpp y una frecuencia de aprox. 98KHz (Figura 5-1).
56
Figura 5-1. Gráfico de las señales de salida del PWM TL494 observadas en el osciloscopio
Se verificó el correcto funcionamiento del driver MC33152 observando igualmente las señales de ambas salidas del mismo, se obtuvieron dos señales complementarias de aprox. 12Vpp y una frecuencia de aprox. 96KHz cada una (Figura 5-2).
Figura 5-2 Gráfico de las señales de salida del driver MC33154 observadas en el osciloscopio
57
Se verificó el correcto funcionamiento del los mosfet tipo n FDS6911 y tipo p FDS4935 observando las señales de salida de los mismos, se obtuvieron dos señales complementarias e invertidas de aprox. 11,9Vpp y una frecuencia de aprox. 95,8KHz cada una (Figura 5-2).
Figura 5-3 Gráfico de las señales de salida de los mosfet tipo n FDS6911 y tipo p FDS4935
observadas en el osciloscopio
Una vez verificado el funcionamiento de los mosfet y el transformador, se midieron los voltajes de salida generados por la fuente (Tabla 5-2) con la carga correspondiente.
Tabla 5-2 Voltajes de salida de la fuente de alimentación de filamentos con carga a la salida
Devanado 6,3-0 6,3-1 6,3-2 25 +15 (antes del regulador) -15 (antes del regulador)
Voltaje medido (V) 6,1 6,33 6,39 33 25,2 -25,2
Con los correctos valores de salida de la fuente se procedió a verificar el encendido del filamento de todos los tubos del preamplificador (Figura 5-4).
58
Figura 5-4. Imagen del encendido de los filamentos de las válvulas de vacío
Por último se determinaron los componente que presentaban mayor disipación de calor, de los cuales se le colocó un disipador al regulador de la fuente conmutada y se consideró colocarle también un disipador al mosfet tipo p FDS4935 y al diodo de rectificación del bobinado 6,3-0 de la fuente de alimentación de filamentos, pero sin embargo debido al empaque tipo montaje superficial se procedió a realizar las pruebas sucesivas antes de colocárselo. En la segunda etapa se procedió a conectar la fuente de alimentación conmutada al circuito del preamplificador, al realizar la conexión, el chip del mosfet tipo p FDS4935 se incineró instantáneamente, debido a esto se procedió a desconectar la fuente inmediatamente y no se pudo realizar ningún tipo de medición ni prueba en los circuitos. Al analizar el problema se concluyó que la completa incineración del componente se debió posiblemente a las pocas posibilidades de disipación del mismo comparadas con la del mosfet tipo n, cuya conexión
59
estaba realizada al plano de tierra, que como se observa en el circuito impreso de preamplificador (Anexo 2) ocupa un área importante del circuito permitiendo así una mayor disipación. A raíz de este problema y debido a la falta de tiempo y de disposición de componentes de montaje superficial para su reemplazo se procedió a realizar un montaje sustituto de un circuito conformado por un arreglo de seguidores no inversores CD4049 alimentados por la señal de salida del TL494 y seguidos de un par de mosfet de potencia IRFZ44N cuya salida alimenta el transformador de la fuente de alimentación, la configuración de la fuente cambió de un convertidor en puente completo a un convertidor tipo push-pull de manera que el bobinado del primario del transformador también tuvo que ser modificado para agregar la salida de los 12,6V necesarios en la configuración del transformador con derivación central o center-tap (Figura 5-6). El montaje realizado se puede observar en la siguiente figura:
Figura 5-5 Montaje sustituto del circuito conformado por un arreglo de seguidores
no inversores CD4049 y un par de mosfet de potencia IRFZ44N
100u
C12
R31 1k
R27 10k
C33 0,1u
R30 1k
C15 2.2n
R32 2.2k
R26 1k
C16 .1u
0
12,6
E1 E2
C1 C2
9
15
U11F CD4049UB IRFZ44
M3
M2 IRFZ44
C26 22u
+5
0
0 2
+12,6V
1
T1
3
4
6 5
8 7
10 9
12 11
14 13
TRAN_FBP1S4/SM 15
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
~
D7
D5
D4
D3
D2
D1
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
+
1
1
1
1
1
L5
L4
L3
L2
L1
1
1
2
2
2
2
2
10uH
2
2
C14 22u
C11 22u
C10 22u
C9 22u
C8 22u
L7 10uH
L6
10uH
10uH
10uH
10uH
10uH
Vkk
C23A 22u
C22A 22u
6,3RET-2 25
6,3RET-1 6,3-2
Vkk 6,3-1
6,3-0
6.8k
R29
VIN
U8
C23 0.33u
2
VIN
U7
0
48RET
C13 10u
48
0
VOUT
7915/TO
VOUT
7815/TO
+12.6
D6 48V
C22 0.33u
1
+250 -250
Q1 Q2N3904
12,6
Vkk
Vpp
Figura 5-6 Configuración final del circuito correspondiente a la fuente de alimentación de filamentos
14
11
10
U11D CD4049UB
6
7
12
0
0
4 U11C CD4049UB
U11B CD4049UB
2
5
3
U11A CD4049UB
0
3
0
9 10
R25 1k
VOUT
7805/TO
U11E CD4049UB
TL494
VCC
COMP DTC OC
CT RT VREF
IN1+ IN1IN2+ IN2-
8 11
R24 1k
12,6
C25 0.33u
VIN
C27 22u
12
3 4 13
5 6 14
1 2 16 15
U3
GND
7
GND 2
U9
GND 2 GND 1
1
3
3
1 2 3 4 5 6 7 8
C17 22u
C18 22u
J5
-15
+15
60
61
Una vez realizado el montaje final del circuito de la fuente de filamentos se procedió a verificar el funcionamiento de la misma, estas pruebas se realizaron con la fuente de alimentación conmutada.
Se verificó el correcto funcionamiento del TL494 observando las señales de ambas salidas del PWM, se obtuvieron dos señales complementarias de aprox. 12,1Vpp y una frecuencia de aprox. 59,8KHz (Figura 5-1).
Figura 5-7 Gráfico de la señal de salida del PWM TL494 observada en el osciloscopio Se verificó el correcto funcionamiento del los mosfet tipo de potencia IRFZ44N observando las señales de salida de los mismos, se obtuvieron dos señales complementarias e invertidas de aprox. 12,6Vpp y una frecuencia de aprox. 59,8 KHz (Figura 5-8).
Figura 5-8 Gráfico de la señal de voltaje gate-souce medido en los mosfet de la fuente de
alimentación de los tubos observada en el osciloscopio
62
Se verificó el correcto funcionamiento del transformador observando las señales de salida de todos los bobinados, en la Figura 5-9 se observa la señal de salida del primer bobinado del transformador, correspondiente a la salida de los 6,3V de alimentación de los filamentos, con un voltaje aproximado de 24Vpp y una frecuencia de aprox. 59,8KHz.
Figura 5-9 Gráfico de la señal de voltaje medida en la salida del uno de los devanados (6,3V) del transformador de la fuente de alimentación de los tubos observada en el osciloscopio
Los voltajes de salida obtenidos en la fuente de alimentación de los tubos fueron:
Tabla 5-3 Voltajes de salida de la fuente de alimentación de filamentos con carga a la salida
Devanado 6,3-0 6,3-1 6,3-2 25 +15 (antes del regulador) -15 (antes del regulador)
Voltaje medido (V)con carga 6,27 6,53 6,63 30,8 28,8 -28,4
Una vez verificados los voltajes de salida de la fuente de alimentación de los filamentos se procedió a verificar el encendido del filamento de todos los tubos conectados al circuito, luego se procedió a verificar el correcto funcionamiento de las fuentes de corriente que alimentan la etapa de amplificación controlada por corriente.
63
En la fuente de 6mA se midió el voltaje sobre la resistencia R46 de 1KΩ (Figura 4-6) para obtener la corriente proporcional que circula por ella, obteniendo 6V; además se verificó el funcionamiento del regulador de precisión midiendo los voltajes de entrada positiva y de referencia del mismo, obteniendo 6V y 7V respectivamente.
En la fuente de 4mA se midió el voltaje sobre la resistencia R45 (Figura 4-6) para obtener igualmente la corriente proporcional que circula por ella, obteniendo 4,09V; además se verificó el funcionamiento del regulador de precisión midiendo los voltajes de entrada positiva y de referencia del mismo, obteniendo 4V y 7V respectivamente.
Luego se procedió a calibrar los tubos del bloque correspondiente a la etapa de amplificación controlado por corriente (Figura 4-3). Para esto se conectaron por separado el par de tubos alimentados por la fuente de 6mA y el par de tubos alimentados por la fuente de 4mA. A partir de la simulación realizada para este circuito se verificó que para la fuente de 6mA el voltaje de placa de los tubos estuviese alrededor de los 100V, se obtuvo y se logró calibrar un voltaje de placa de 104V para el tubo 2A y de 105V para el tubo 2B; y para la fuente de 4mA que el voltaje de placa de los tubos estuviese alrededor de los 150V, se obtuvo y se logró calibrar un voltaje de placa de 151V para el tubo 5A y de 152V para el tubo 5B. Al conectar todos los tubos correspondientes a esta etapa se observó que el voltaje de placa del primer par de tubos se mantenía en 104V y 105V. Sin embargo, el voltaje de placa del segundo par de tubos cambió a 141V y 197V para los tubos 5A y 5B respectivamente, sin lograr realizar la calibración.
Seguidamente, se colocaron los tubos de vacío correspondientes a la etapa de amplificación controlada por voltaje. Como resultado de esto la fuente de alimentación negativa de -250V bajaba su voltaje progresivamente hasta llegar a cero voltios. En vista de este resultado se procedió a desconectar los tubos de la etapa de amplificación controlada por voltaje, conectar únicamente los tubos correspondientes a la etapa de amplificación controlada por corriente y colocar a la entrada del circuito una señal de 200mVpp proveniente del generador de señales. El resultado obtenido al encender el equipo fue que en la entrada la señal se veía afectada completamente por el ruido generado por la fuente y en la salida no se
64
logró observar ninguna señal. Al intentar deducir el error correspondiente a la ausencia de señal a la salida del circuito del preamplificador se observó que la fuente de alimentación conmutada cambió su funcionamiento generando a la salida 130V correspondientes a los 250V, 0V correspondientes a los -250V y 10V correspondientes a los 12,6V. La falla del circuito que ocasionó el cambio en el funcionamiento de la fuente no pudo ser determinado, algunas de las hipótesis manejadas son que alguno de los componentes como capacitores o diodos se hayan cortocircuitado, o inclusive, debido a la caída de tensión en la fuente y el consumo de potencia inexplicable de la misma que el bobinado del transformador correspondiente a los -250V se haya cortocircuitado. En vista de los numerosos problemas presentados en la etapa de pruebas de los circuitos, el tiempo invertido en la solución de los mismos y el resultado final obtenido en la fuente de alimentación conmutada, se culminó la etapa de prueba no pudiendo realizar más verificaciones en el funcionamiento del resto de los circuitos ni del funcionamiento final del equipo.
CAPÍTULO 6. ANÁLISIS DE COSTOS
El análisis de costos que se presenta a continuación corresponde a los costos de desarrollo de un prototipo del equipo, conformado por el preamplificador con compresor y la fuente de alimentación conmutada. Como se observa en la Tabla 6-1, el costo total de los componentes de la fuente de corriente, incluyendo costos del circuito impreso y de la caja de la fuente de alimentación son aproximadamente BsF. 1.027. Estos costos se determinaron tomando en cuenta la compra de los componentes en el exterior, incluyendo gastos de envío e impuestos de nacionalización en la moneda norteamericana y su equivalente en bolívares respecto a la tasa cambiaria oficial de BsF. 2,15 por dólar para la fecha. En cuanto a los costos de la caja y del circuito impreso, sus costos corresponden a precios de la realización del trabajo por parte de empresas venezolanas. En la Tabla 6-2 se presenta el costo total de los componentes del compresor con preamplificador para dos canales de audio, igualmente tomando en cuenta la compra de los componentes en el exterior, incluyendo gastos de envío e impuestos de nacionalización en la moneda norteamericana y su equivalente en bolívares respecto a la tasa cambiara oficial de BsF. 2,15 por dólar para la fecha. Para el caso de la caja y del circuito impreso los precios corresponden a precios de realización del trabajo por parte de empresas venezolanas. En este caso, se puede observar que el costo total del equipo de preamplificador con compresor es de Bs. F. 3.829,68. Resulta apropiado destacar que la realización de los circuitos impresos en el exterior resulta más conveniente, en términos de la relación calidad-costo del producto, debido a que los costos son mucho más bajos y la calidad es mucho mayor. Finalmente, se puede decir que el costo total de un prototipo del preamplificador con compresor para dos canales de audio con fuente de alimentación incluida es de aproximadamente de BsF. 4.857,81
66
Tabla 6-1 Costos de la fuente de alimentación conmutada Cant. 1 2 3 2 2 1 1 2 3 2 1 1 1 2 1 1 3 1 2 1 4 1 1 2 1 1 1 1 4 2 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 10 1 1 1 1 1
Referencia C1 C2,C3 C4,C9,C22 C12,C5 C7,C6 C8 C13 C15,C14 C16,C17,C18 C19,C20 C21 C23 C24 C27,C25 C26 C28 D1,D6,D8 D2 D3,D11 D9 D10,D12,D13,D16 D14 D15 L3,L1 L4 L5 Q1 Q2 R1,R2,R6,R7 R3,R8 R4 R10 R11 R12 R13 R14,R16,R22,R25 R15 R17 R18 R19 R20 R21 R24,R23 T1 U2 U3 TP U1 T2 Transformador Jn Circuito impreso Caja
Componente Capacitor 68uF Capacitor 1uF Capacitor 1.5nF Capacitor 330uF Capacitor 0,33uF Capacitor 5.6nF Capacitor 2.2uF Capacitor 1uF Capacitor 3300uF 16v Capacitor 10nF Capacitor 56pF Capacitor 100nF Capacitor 39uF Capacitor 470pF Capacitor 330pF Capacitor 1uF Diodo STTH112U Diodo 4A 600V Diodo LED Diodo 47CTQ020 Diodo 1N4148 (sm) Diodo zener 14V Diodo Schottky 30v 1A Inductancia 1mH Inductancia 22uH Inductancia FB Transistor 2N3906 Transistor 2N3904 Resistencia 220kΩ Resistencia 2.4kΩ Resistencia 200kΩ Resistencia 0Ω Resistencia 10Ω Resistencia 12.7kΩ Potenciómetro precisión 500Ω Resistencia 750Ω Resistencia 510Ω Resistencia 3.09kΩ Resistencia 2.7kΩ Resistencia 1kΩ Resistencia 1.8kΩ Resistencia 15kΩ Resistencia 0.27Ω Transformador TRAN_HM31 Opto acoplador H11817 Regulador LM431 Punta de prueba IRIS4015 ETD39/20-250VDC@500mA Cables Circuito impreso Caja
Precio $ 3,9 1,8 0,3 1,8 0,7 0,3 0,2 0,3 1,0 0,1 0,2 0,4 0,3 0,1 0,1 0,0 0,7 1,4 0,1 2,8 0,1 0,1 1,0 0,9 1,7 0,1 0,1 0,1 0,4 0,4 0,4 0,1 0,1 0,1 0,9 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,7 3,3 0,3 0,8 0,3 3,3 1,0 3,3 279,1 23,3 Subtotal
Impuestos Gastos de envío Total
Total $ 3,9 3,6 0,8 3,6 1,4 0,3 0,2 0,6 2,9 0,2 0,2 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 2,2 1,4 0,2 2,8 0,4 0,1 1,0 1,8 1,7 0,1 0,1 0,1 1,6 0,8 0,4 0,1 0,1 0,1 0,9 0,4 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 1,4 3,3 0,3 0,8 3,0 3,3 1,0 3,3 279,1 23,3 444,2 5,9 5,0 455,2
Precio BsF. 8,3 3,9 0,6 3,9 1,5 0,7 0,4 0,7 2,1 0,3 0,5 0,8 0,6 0,2 0,2 0,1 1,6 3,0 0,3 6,1 0,2 0,2 2,1 2,0 3,7 0,2 0,2 0,2 0,9 0,9 0,9 0,2 0,2 0,2 1,8 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 1,5 7,1 0,7 1,8 0,6 7,1 2,2 7,1 600,0 50
Total BsF. 17,9 8,4 1,3 8,4 3,3 1,5 0,8 1,5 4,5 0,6 1,1 1,7 1,3 0,4 0,4 0,2 3,4 6,5 0,6 13,1 0,5 0,3 4,4 4,3 8,0 0,4 0,5 0,3 1,8 1,8 1,9 0,4 0,4 0,4 3,9 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 3,1 15,3 1,6 3,8 1,4 15,3 4,6 15,3 600,0 50,0 1004,4 12,7 10,8 1027,9
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Tabla 6-2. Costos del amplificador con compresor Cant. 8 4 2 26 10 2 2 2 4 12 2 4 2 2 2 14 12 6 2 8 4 4 4 4 4 14 2 6 2 2 1 4 4 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 4 8 4 2 4 2 2 2 4 2 2 2 8 6 4 2 2 1
Referencia
Componente
Precio $
Total $
C1,C2,C5,C6 C3,C4 C7 C8,C9,C10 + bypass (c27,c28,c29) C11,C14,C17,C13,C18,c26 C12 C15 C16 C19,C20 D1,D2,D3,D4,D5,D7 D6 JR2,JR1 J1 LS1 Q1 L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7 R1,R2,R9,R16,R22,R23 R3,R21,R76 R4 R6,R7,R19,R20 R17,R8 R14,R10 R11,R15 R13,R12 R74, R75 R24,R25,R45,R46,R31,R33,R34 R26 R27,R41,R43 R28 R29 R32 R35,R38 R39,R36 R37 R40 R42 R44 R30 T1 U1 U2 U3 U4 U5,U6 V1,V6 V2,V3,V4,V5 V7,V8 Vúmetro C30,C31 bypass C24 M1 U1 R53, R54 R55 Regulador Regulador u1,u2,u3 Dial precisión Dial SW phantom SW compresor SW on off
Capacitor 10uF 50v Capacitor 47uF 450v Capacitor 100uF 75v Capacitor 22uF 16V Capacitor 22uF 63V Capacitor 100uF16v Capacitor 2.2nF 16v Capacitor .1uF 16v Capacitor 1uF 35v Diodo CDBHD260-G Diodo 48V Conector AV 3-J Conector PHONEJACK 1/4" Relé RELAY SPDT Transistor Q2N3904 Inductancia 10uH Resistencia 50kΩ 1/2w Resistencia 10kΩ 2w Resistencia 100Ω 2w Resistencia 500kΩ 1/2w Resistencia 27kΩ 2w Resistencia 3.3kΩ 2w Resistencia 2kΩ5w Resistencia 50Ω pot Resistencia 1kΩ 5w Resistencia 1kΩ 1/4w Resistencia 50kΩ 1/4w Resistencia 10kΩ 1/4w Resistencia 1.5kΩ 1/4w Resistencia 6.8kΩ 1/4w Resistencia 2.2kΩ 1/4w Resistencia 5.10kΩ 1/4w Potenciómetro precisión 200Ω Resistencia 4.00kΩ 1/4w Resistencia 750.00Ω 1/4w Resistencia 3kΩ 1/4w Resistencia 2kΩ 1/4w Potenciómetro precisión 1.00kΩ Transformador Mosfet FDS6911 Mosfet driver MC33152 Circuito PWM TL494 Mosfet FDS4935 Reguladores uA723C Válvula EL86 Válvula 5670 Válvula 5654 Medidor de señal de audio Capacitor 1uF 50v Capacitor 22pF 50v Mosfet 2N6851 Opamp AD712 Resistencia 1kΩ Resistencia 2kΩ 15v (-)15V Op amp TL084 dial precisión dial Interruptor fuente fantasma Interruptor compresor Interruptor encendido/apagado
0,7 21,7 0,4 0,4 0,2 8,1 0,3 0,2 0,4 1,3 0,2 12,6 8,4 2,4 0,1 0,3 0,7 2,0 2,0 0,3 0,7 0,5 3,4 0,9 1,6 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,9 0,05 0,05 0,05 0,05 0,9 1,50 1,0 1,7 0,6 0,9 0,8 5,85 5,99 5,00 28,6 0,2 0,1 1,8 6,7 0,1 0,1 0,6 0,5 1,0 12,4 3,8 1,9 1,9 3,3
5,6 86,8 0,8 9,2 1,8 16,2 0,5 0,3 1,4 15,7 0,5 50,4 16,8 4,7 0,2 4,2 8,3 11,7 3,9 2,6 2,8 2,0 13,7 3,4 6,2 0,6 0,1 0,3 0,1 0,1 0,09 0,2 3,4 0,1 0,1 0,1 0,1 1,7 3,00 2,1 3,3 1,1 1,9 3,0 23,40 47,92 20,00 57,2 0,7 0,1 3,6 13,3 0,4 0,2 1,3 1,0 8,2 74,3 15,2 3,8 3,8 3,3
Precio BsF. 1,5 46,7 0,9 0,8 0,4 17,4 0,6 0,4 0,8 2,8 0,5 27,1 18,1 5,1 0,2 0,65 1,5 4,2 4,2 0,7 1,5 1,1 7,4 1,8 3,4 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 1,8 0,1 0,1 0,1 0,1 1,8 3,23 2,2 3,5 1,2 2,0 1,6 12,58 12,88 10,75 61,5 0,4 0,1 3,8 14,3 0,2 0,2 1,4 1,1 2,2 26,6 8,2 4,1 4,1 7,1
Total BsF. 12,0 186,6 1,7 19,7 3,9 34,7 1,2 0,7 3,0 33,8 1,0 108,4 36,2 10,2 0,5 9,03 17,8 25,2 8,4 5,7 5,9 4,2 29,4 7,3 13,4 1,4 0,2 0,6 0,2 0,2 0,1 0,4 7,3 0,2 0,2 0,2 0,2 3,7 6,45 4,5 7,1 2,4 4,0 6,5 50,31 103,03 43,00 123,0 1,5 0,3 7,7 28,6 0,9 0,5 2,8 2,2 17,5 159,8 32,7 8,3 8,3 7,1
68
2 2 2 2 4 16 6 4 6 2 2 2 4 2 4 2 2 1 2
vu selector R49 pot R47 pot R48 pot R50,R 51 pot R1,R10,R12,R13,R15,R16,R17,R18 R2,R3,R5 R4,R6 R7,R8,R9 R11 c1 R14 D1,D2 R52 C22,c23,c25 (reg) u4 molex Caja de aluminio Circuito impreso
Interruptor señal para vu Potenciómetro 100kΩ 2W Potenciómetro 10kΩ 10vueltas Potenciómetro 5kΩ Potenciómetro 5kΩ 10vueltas Resistencia 1kΩ Resistencia 10kΩ Resistencia 20kΩ Resistencia 1 MΩ Resistencia 2Ω Capacitor 10uF 16v Resistencia 40.2kΩ Diodo 1n4148 Resistencia 11,7kΩ Capacitor 0,33uF 16V Comparador lm339 Conector molex Caja de aluminio con huecos Circuito impreso
1,5 1,4 9,5 14,3 9,5 0,3 0,3 0,1 0,3 0,2 0,8 0,1 0,2 0,2 0,9 0,4 1,20 232,56 418,60 Subtotal Servicios Gastos de envío Impuestos Total
3,0 2,8 19,0 28,5 37,9 4,0 1,5 0,4 1,5 0,3 1,6 0,2 0,9 0,3 3,7 0,8 2,40 232,56 837,21 1747,53 12,00 10,76 10,95 1781,24
3,3 3,0 20,4 30,6 20,4 0,5 0,5 0,2 0,5 0,4 1,7 0,2 0,5 0,3 2,0 0,9 2,58 500 900
6,5 5,9 40,8 61,3 81,5 8,6 3,2 0,9 3,2 0,7 3,4 0,5 2,0 0,6 7,9 1,7 5,16 500 1800 3757,2 25,80 23,13 23,54 3829,68
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Mediante la realización de este proyecto se logró el diseño de los circuitos del sistema de amplificación y compresión adaptado a los requerimientos planteados en el proyecto, se obtuvo adicionalmente la simulación correspondiente a todos los circuitos presentes en el equipo, consiguiendo así resultados preliminares del prototipo y logrando a su vez perfeccionar los criterios del diseño antes de ser implementado. A partir de la simulación se lograron obtener especificaciones del equipo bastante confiables, es importante resaltar que la confiabilidad de las simulaciones se basa en que los modelos del comportamiento de los tubos utilizados tanto en el circuito como en la simulación fueron modelos realizados en un proyecto de grado anterior a este trabajo, en el cual se obtuvieron gráficas de ajuste de las válvulas con errores entre los 0,05% y 0,001% (Anexo 7, Anexo 8 y Anexo 9). En base a las simulaciones del preamplificador se puede decir que este posee una respuesta en frecuencia de 10Hz a 1MKhz y una ganancia de 55,5dB. El compresor posee los siguientes parámetros: tiempo de ataque entre 20µs y 50ms, tiempo de release entre 10ms y 1s, relación de compresión entre 1:1 y 1:10, voltaje umbral entre -20dB y 20dB y ganancia entre 0 y 55,5dB Se concluyó el diseño final del circuito electrónico del amplificador, del compresor y de la fuente de alimentación conjuntamente con el diseño de sus circuitos impresos. Se consiguió realizar el montaje del prototipo final con su caja, sin embargo debido a que no se logró el funcionamiento total del sistema, no se realizaron la totalidad de las pruebas necesarias Una posible causa del mal funcionamiento de la fuente de alimentación conmutada conectada con el preamplificador pudo ser el mal dimensionamiento de los componentes en cuanto a la capacidad de corriente y voltaje que debían manejar o algún cortocircuito presentado en alguno de los componentes de la fuente como diodos, capacitores o inclusive el bobinado que provee los -250V. Una ayuda para descartar los posibles problemas del circuito
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pudo haber sido la verificación de los valores y funcionamiento de los componentes presentes en la fuente, que no se pudo aplicar por factores de tiempo. Desde el punto de vista económico el desarrollo de este proyecto no busca rentabilidad económica, pues debe tomarse en cuenta que el objetivo principal del mismo se basa en la construcción de prototipo, además el tipo de tecnología utilizada no se desarrolla ni se encuentra en el país, de aquí que la inversión monetaria realizada en el diseño y construcción del prototipo de preamplificador con compresor resulte ser bastante grande.
Recomendaciones: Se recomienda ampliamente considerar la búsqueda y contratación de otras empresas para la fabricación de las tarjetas de los circuitos impresos de manera que pueda garantizarse una mayor calidad y ahorro de tiempo y dinero Entre una de propuestas para la mejora del sistema amplificación con compresión, se tiene la disminución del tamaño del prototipo, de manera que se tomen previsiones al escoger el tipo y tamaño de los componentes a utilizar en el panel para lograr un equipo lo más compacto posible. El diseño y construcción de un equipo de audio basado en válvulas electrónicas da paso al desarrollo de dos áreas poco exploradas en el área de la investigación en la universidades y empresas venezolanas: la electrónica basada en válvulas electrónicas y el audio, permitiendo así la creación de tecnologías propias y comparables con los mercados internacionales del audio y el sonido. De esta manera se puede contar con nuevas herramientas que faciliten el estudio, exploración y diseño de nuevas tecnologías en el área. El trabajo con válvulas electrónicas utilizadas en sistemas de audio en la Universidad Simón Bolívar, es un punto que merece seguir sumando esfuerzos para continuar con su desarrollo, debido a que es un tema interesante y que actualmente se encuentra en boga en el área de la ingeniería del sonido a nivel mundial.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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ANEXOS
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Anexo 1. Datos resultantes de la herramienta de Micrometals inductor design software ©2005 para el diseño de las bobinas del filtro de salida del transformador de la fuente de alimentación de filamentos de los tubos del preamplificador
Anexo 2. Circuito impreso del equipo preamplificador de audio. Capa superior
75
Anexo 3. Circuito impreso del equipo preamplificador de audio. Capa inferior
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77
Anexo 4.. Circuito impreso del compresor. Capa superior y capa inferior
78
Anexo 5. Imágen del montaje final y caja del preamplificador con compresor
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Anexo 6. Imágen del montaje final y la caja de la fuente de alimentación conmutada
Anexo 7. Gráfico del Voltaje de Placa del 5654 obtenido del modelo realizado a través de la herramienta de Labview 80
Anexo 8 Gráfico del Voltaje de Placa del 5670 obtenido del modelo realizado a través de la herramienta de 81
Anexo 9 Gráfico del Voltaje de Placa del EL86 obtenido del modelo realizado a través de la herramienta de Labview 82
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Anexo 10. Tablas referenciales para el usuario de selección de ganancia y voltaje umbral del compresor Voltaje de umbral N° vuelta 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
V 0,0750 1,5000 3,0000 4,5000 6,0000 7,5000 9,0000 10,5000 12,0000 13,5000 15,0000
dB -22,4988 3,5218 9,5424 13,0643 15,5630 17,5012 19,0849 20,4238 21,5836 22,6067 23,5218
Ganancia 16,15dBm por división N° vuelta 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
V 0,97 1,50 2,07 2,68 3,33 4,04 4,80 5,63 6,52 7,50
dBm 44,9 51,9 60,0 66,7 74,7 80,4 93,5 101,1 109,4 115,3