Trabalho Final - Moodle @ FCT-UNL

Dept. Engenharia Electrotécnica
Disciplina :
Electrónica
Trabalho Final
Amplificador de áudio para estetoscópio electrónico
Novembro de 2011
Versão 1.0
Ref: DEE-EI-03-001-010
Electrónica :
Trabalho Final
1- Introdução
Este trabalho tem como objectivos o estudo, dimensionamento e a avaliação experimental de um
amplificador de áudio de baixa potência para aplicação num estetoscópio electrónico. O diagrama de
blocos simplificado do projeto está representado na Fig. 1, na qual se identificam o microfone (a
acoplar ao estetoscópio), o amplificador e o altifalante. O sinal à saída do microfone tem pequena
amplitude, na ordem das poucas dezenas de mV, o que é manifestamente insuficiente para se injetar
diretamente no altifalante, o que justifica a utilização do amplificador.
Amplificador
Figura 1 – Diagrama blocos do projeto.
O esquemático completo do amplificador está representado na Fig. 2, e podemos verificar que este é
constituído por três andares. O primeiro andar é baseado numa montagem de emissor comum no qual a
resistência RB1 garante a polarização do transístor NPN T1. O segundo andar é construído em torno de
uma montagem inversora com um amplificador operacional (AMPOP). O potenciómetro à entrada
deste andar permite efetuar o ajuste do volume. Por fim, o 3º andar é baseado numa montagem de
colector comum (com ganho inferior a 1) para garantir o “drive” da carga de baixo valor constituída
pelo altifalante de 8 Ω .
4.5 V
VC C
VC C
VC C
RM
27 kΩ
300 kΩ
R B1
vC 1
C 2, 10uF
vIN
‐
L M 324
T 1, B C 546
C 1, 10uF
1 kΩ
RE1
+
POT1
30 kΩ
C 5,
470uF
mic ro
vI1
vO1
A ndar 1
vB 2
T 2, 2N2222
C 3, 10uF
VC C
vR E F
VC C
R B2
VC C
R A1
MIC
VC C
R A2
RC1
POT2
10 kΩ
vE 3
R p1
R p2
vI2
T 3, B D 139
RE3
vO2 vI3
A ndar 2
C 4, 470uF
vO3
A ndar 3
Figura 2 – Amplificador de áudio com três andares.
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vOUT
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Altifalante
8 Ω
Electrónica :
Trabalho Final
Na tabela seguinte listam-se os dados disponíveis para o projeto:
Componente
RM
RB1
RC1
RE1
RA1
RA2
RP1
RP2
RB2
RE3
POT1
POT2
C1
C2
C3
C4
C5
T1
T2
T3
AMPOP
Altifalante
Microfone
VCC
VC1
VREF
VE2
P RE3
Valor
27 kΩ
300 kΩ
A determinar
1 kΩ
A determinar
A determinar
A determinar
A determinar
A determinar
A determinar
30 kΩ ou 20 kΩ
10 kΩ
10 uF
10 uF
100 uF
470 uF
470 uF
BC 546B
2N2222
BD139
LM324
8 Ω, 0.5 W máx.
Tipo Electret
4.5 V
1.79 V
= VCC / 2
2.3 V
264.5 mW
Descrição
Para polarização do microfone
Resistência elevado valor para polarizar o T1
Tem a função de controlo de volume
Para ajuste do PFR de T2 e T3
Para desacoplamento DC
Para desacoplamento DC
Para desacoplamento DC
Para desacoplamento DC
Para definição de Vref
Transistor NPN de ganho elevado
Transístor de média potência
Transístor de média potência
Integrado com 4 AMPOPS
Tensão de alimentação
Potência dissipada na RE3 e em DC
O circuito e os seus componentes.
Potenciometro
BC 546
2N2222
Condensador
Electrolitico
BD 139
LM324
Microfone
Altifalante
Figura 3 – Alguns dos principais componentes do projeto.
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Electrónica :
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Transístores NPN
O transístor BC 546B é um transístor de baixa potência, com ganho elevado e baixo ruído, o que
justifica a sua utilização próxima da fonte de sinal.
2N2222
BD 139
BC 546
Ambos os transístores 2N2222 e BD 139 suportam potências mais elevadas mas apresentam um ganho
de corrente mais baixo. Para compensar esse efeito T2 e T3 são montados numa configuração de
Darlington que permite aumentar significativamente o ganho de corrente deste “transístor equivalente”
composto.
AMPOP
O integrado com a referencia LM324 dispõe de 4
amplificadores operacionais dispostos da forma
representada na figura.
Microfone
O microfone é um transdutor que converte energia sonora (pressão sonora) num
sinal eléctrico, permitindo o seu processamento electrónico. O microfone
utilizado é omnidireccional e a sua sensibilidade permite-lhe gerar um sinal entre
10 mV e 30 mV em condições normais de funcionamento. A resistência RM (ver
figura) polariza o elemento activo incluído no micro e que estabelece uma
primeira etapa de pré-amplificação.
Altifalante
O altifalante converte energia elétrica em energia sonora através da oscilação
do cone provocada pela ação do movimento gerada pela corrente que circula
na bobine. Este dispositivo é caracterizado por uma determinada resposta em
frequência. A impedância do altifalante utilizado é de 8 Ohm, e a potência
máxima é de 0.5 W.
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Fonte de Alimentação
O amplificador utiliza uma única fonte de alimentação de 4.5 V. Esta mesma poderá ser facilmente
obtida colocando em série 3 pilhas de 1.5 V (por exemplo, to tipo AA).
Condensador eletrolítico
A ligação do condensador eletrolítico no circuito tem de atender ao sentido da sua
polaridade. Para isso, este tipo de condensador indica no seu encapsulamento o
terminal negativo (“-“).
Avaliação do trabalho é baseada no:
1- relatório entregue com a análise teórica, resultados experimentais e respectiva
qualidade da análise comparativa efectuada.
2- desempenho demonstrado pelo grupo na componente experimental sendo que o
grupo deverá demonstrar o funcionamento experimental do amplificador ao
corpo docente da disciplina. Nesse sentido o docente registará o estado de
funcionamento do circuito e os ganhos de tensão obtidos. Será também registada a
data e hora desta observação.
Prazo: A entrega do relatório deverá ser efectuada até 16/12/2011.
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Electrónica :
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2- Análise Teórica
2.1 Análise DC
Com base no circuito da Fig. 2, determine o ponto de funcionamento em repouso (PFR) do circuito, e
características dos componentes (descrição em anexo) :
2.1.1 – Dimensione a resistência RC1de modo a obter uma tensão no colector de T1, VC1, de 1.79 V.
2.1.2 – Dimensione as resistências RP1 e RP2 de modo a obter uma tensão VREF em DC de VCC/2.
2.1.3 - Dimensione a resistência RE3 de modo a obter uma tensão VE3 de 2.3 V e uma potência
máxima, em RE3, de 264.5 mW.
2.1.4 - Com base nos resultados anteriores dimensione a resistência RB2. Para isso considere que o
potenciómetro POT2 está no seu valor máximo (isto é, 10 k).
2.1.5 – Recorrendo, sempre que necessário, aos resultados anteriores determine o ponto de
funcionamento em repouso do primeiro e do terceiro andar.
2.2 Análise AC
Represente o modelo/esquemático AC do circuito, válido para regime dinâmico de sinais fracos. Com
base neste modelo proceda à determinação de:
2.2.1 - Para o primeiro andar: determine a expressão do ganho de tensão Av1 =
vO1
vi1 . Calcule o seu
valor. Obtenha a expressão e valor da resistência de entrada e de saída. Na resolução desta alínea,
considere que RB1 é muito elevado e por isso não a inclua na análise AC.
2.2.2 – Repita a alínea anterior considerando o valor das resistência RB1. Compare os valores obtidos.
2.2.3 - Para o segundo andar: dimensione as resistências RA1 e RA2 de modo a atingir um ganho de
tensão (em modulo) igual a 2.4 (V/V). Na sua análise considere que o AMPOP é ideal com ganho
infinito. Determine a expressão e calcule o valor da resistência incremental à entrada e à saída do
andar.
2.2.4 – Para o terceiro andar: considerando o regime sinusoidal de sinais fracos, determine a expressão
do ganho de tensão Av3 =
vO3
vi3 . Calcule do seu valor. Obtenha igualmente a expressão e o valor da
resistência incremental de entrada, ri3, e de saída vO3 , ro3.
2.2.6 - Com base dos resultados anteriores obtenha o ganho do total do amplificador considerando os
efeitos de carga respectivos.
2.2.7 – Calcule a potência máxima (sem distorção) que o amplificador pode fornecer à carga (neste
caso é o altifalante)?
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3- Simulação eléctrica
Introduza e edite o esquemático do circuito da Fig. 2, no simulador eléctrico LTspice. O resultado final
deverá ser semelhante ao representado na Fig 4. O microfone é simulado pela fonte de sinal sinusoidal
de entrada.
Figura 3 – Esquemático de simulação no simulador LTspice.
3.1 Obtenção do ponto funcionamento em repouso (DC)
•
•
Selecione a opção de simulação “.op”.
Obtenha e registe a lista de tensões e correntes de todos os elementos do circuito simulado.
3.2 Simulação em regime dinâmico de sinais fracos
•
•
•
Selecione a opção de simulação “transient”. Parametrize a simulação “transient” para um
intervalo de simulação correspondente a 1000 ms (representa 1000 períodos).
Visualize e registe as formas de onda “vin”, “vi1”, “vo1”, “vi2”, “vo2”, “vi3”, “vo3”, “vout”
para as seguintes amplitudes de entrada : 10 mV, 100mV e 300 mV.
Com base na visualização anterior calcule os ganhos Av1 =
Av3 =
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vO3
vO1
vi1 , Av2 =
vO2
vi2 ,
vi3 e ganho total do amplificador.
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4- Experimentação
Montagem
VC C
G ND
L ig aç ão ao Mic ro
+
1º A NDA R
VC C
2º A NDA R
3º A ndar
+
L ig aç ão A ltifalante
G ND
Figura 5 – Disposição dos componentes.
Efetue a montagem do circuito representado na Fig. 2, medindo previamente com o multímetro os
valores exatos das resistências. Disponha os componentes na placa de prototipagem seguindo a
indicação representada na Fig. 5. As ligações entre componentes devem ser efectuados com condutor
de comprimento o mais curto possível. No entanto, a ligação entre andares deverá ser feita de forma a
facilitar o teste individual de cada um deles.
•
•
Tenha atenção à polaridade dos condensadores !
Existe o risco do transístor T3 e a resistência RE3 sofrer um forte aquecimento. Nesse
sentido tenha atenção redobrada no manuseamento desta parte do circuito.
4.1 Obtenção do ponto de funcionamento em repouso (DC)
•
•
•
•
Para determinar experimentalmente o PFR do circuito, desligue a ligação entre o microfone e o
amplificador. Ligue a alimentação do circuito.
Obtenha e registe as tensões nodais do circuito com a ajuda de um multímetro.
Poderá ser necessário efetuar um ajuste fino no potenciómetro POT2 de modo a corrigir o
valor da tensão em VB2.
Determine e registe as correntes através da aplicação lei de Ohm nas resistências.
4.2 Teste do circuito em regime dinâmico
4.2.1 Observação do comportamento do circuito em regime de pequenos sinais
•
•
Mantenha desligada a ligação entre o microfone e o circuito. Insira na entrada do amplificador
um sinal de 1 kHz e 10 mV de amplitude (utilize o gerador de sinal existente na bancada).
Visualize no osciloscópio:
o no canal 1 : o sinal de entrada vi .
no canal 2 : visualize, sequencialmente, o sinal na base do transístor, em “vin”, “vi1”,
“vo1”, “vi2”, “vo2”, “vi3”, “vo3”, “vout”.
Registe todas as formas de onda observadas. Verifique se é possível ouvir algum som do
altifalante. Experimente variar a frequência do sinal de entrada.
Com base nos resultados observados, determine o ganho de tensão de cada andar e o ganho
total do amplificador.
o
•
•
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4.2.2 Observação do comportamento do circuito para diversas amplitudes de entrada
Para 3 amplitudes amplitudes do sinal de entrada vi de 10 mV, 100 mV e 300 mV:
•
Visualize no osciloscópio e registe as formas de onda observadas:
o no canal 1 : o sinal de entrada vi
no canal 2 : sequencialmente observe o sinal “vin”, “vi1”, “vo1”, “vi2”, “vo2”, “vi3”,
“vo3”, “vout” .
Registe e comente os resultados obtidos. A partir de que valor o sinal à saída aparece com forte
distorção?
o
•
4.2.3 Observação do comportamento do circuito com microfone
•
•
•
•
Desligue a fonte de sinal sinusoidal de entrada do circuito e ligue novamente o microfone ao
amplificador.
Experimente falar para o microfone e verifique se o áudio é reproduzido no altifalante.
Para aumentar a sensibilidade do microfone, estabeleça um curto-circuito na resistência RE1.
Quais as conclusões que retira sobre o comportamento do amplificador nestas novas
condições? Experimente ligar o microfone acoplado ao estetoscópio.
Desligue o microfone do amplificador e experimente ligar a saída de um leitor de mp3 ao
amplificador (note: ligue através do condensador de desacoplamento C1, sempre!). O que
passa a observar/escutar?
5- Relatório e análise
Identifique claramente o turno e a composição do grupo.
Elabore um relatório que inclua o estudo teórico, simulação e resultados experimentais obtidos. Nele
deverão ser apresentadas todas as medições efectuadas e formas onda observadas (é aceite a inclusão
de fotografias das formas de onda visualizadas no osciloscópio). A análise comparativa entre resultados
é muito valorizada, sendo importante justificar as discrepâncias encontradas.
Todos gráficos e registo das formas de onda visualizadas no osciloscópio deverão ter legenda com
indicação clara das escalas. A não inclusão das escalas implica desconto na classificação final do
relatório. A estrutura do relatório deverá incluir as seguintes 5 secções:
Capa
Índice
1- Introdução
2- Análise Teórica
3- Simulação Eléctrica
4- Experimentação
5- Conclusões, incluindo análise comparativa de resultados obtido em 2, 3 e 4.
Referências
Todas as figuras deverão ser numeradas e deverão ter legenda.
Em anexo:
- Datasheet dos transístores BC 546, 2N2222 e BD 139
- Datasheet do LM 324 (OPAMP)
- Template de simulação com biblioteca de componentes (LM324.sub, BD 139 e 2N2222) para
o LTspice
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