Trabalho Final. Amplificador de áudio para estetoscópio electrónico. Dept. Engenharia Electrotécnica. Novembro de Versão 1.0

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1 Dept. Engenharia Electrotécnica Disciplina : Electrónica Amplificador de áudio para estetoscópio electrónico Novembro de 2011 Versão 1.0 Ref: DEE-EI

2 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. R C V R A2 R M 27 kω v IN MIC mic ro 300 kω C 1, 10uF R B1 1 kω v C 1 T1, BC 546 R E 1 C 2, 10uF P OT1 30 kω C 5, 470uF R A1 v RE F L M R p2 R p1 C 3, 10uF P OT2 R B2 10 kω T2, 2N2222 R E 3 T3, BD139 C 4, 470uF v I1 v O1 v I2 v O2 v I3 v O3 v B2 Andar 1 Andar 2 Andar 3 v E 3 v OUT Altifalante 8 Ω Figura 2 Amplificador de áudio com três andares. DEE / FCT-UNL 2 / 9

3 Electrónica : 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 1 kω 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 / V 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. DEE / FCT-UNL 3/9

4 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. BC 546 2N2222 BD 139 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. DEE / FCT-UNL 4 / 9

5 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. DEE / FCT-UNL 5 / 9

6 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) : Dimensione a resistência RC1de modo a obter uma tensão no colector de T1, VC1, de 1.79 V Dimensione as resistências RP1 e RP2 de modo a obter uma tensão VREF em DC de VCC/ Dimensione a resistência RE3 de modo a obter uma tensão VE3 de 2.3 V e uma potência máxima, em RE3, de mw 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) 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: Para o primeiro andar: determine a expressão do ganho de tensão A v1 = v O1 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 Repita a alínea anterior considerando o valor das resistência RB1. Compare os valores obtidos 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 Para o terceiro andar: considerando o regime sinusoidal de sinais fracos, determine a expressão do ganho de tensão A v3 = v O3 vi3. Calcule do seu valor. Obtenha igualmente a expressão e o valor da resistência incremental de entrada, ri3, e de saída v O3, ro Com base dos resultados anteriores obtenha o ganho do total do amplificador considerando os efeitos de carga respectivos Calcule a potência máxima (sem distorção) que o amplificador pode fornecer à carga (neste caso é o altifalante)? DEE / FCT-UNL 6 / 9

7 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 A v1 = v O1 vi1, A v2 = v O2 vi2, A v3 = v O3 vi3 e ganho total do amplificador. DEE / FCT-UNL 7 / 9

8 4- Experimentação Montagem G ND L ig aç ão ao Mic ro + 1º ANDAR 2º ANDAR 3º Andar + L ig aç ão Altifalante 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 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 v i. o 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. DEE / FCT-UNL 8 / 9

9 4.2.2 Observação do comportamento do circuito para diversas amplitudes de entrada Para 3 amplitudes amplitudes do sinal de entrada v i 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 v i o 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? 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 Datasheet do LM 324 (OPAMP) - Template de simulação com biblioteca de componentes (LM324.sub, BD 139 e 2N2222) para o LTspice DEE / FCT-UNL 9 / 9