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

DEE / FCT-UNL 2 / 9

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.

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 .

Figura 2 – Amplificador de áudio com três andares.

VC C

+

‐

VC CVC C

VC C

VC C VC C

R B1300 kΩ

R C 1

R E 1

C 1, 10uF

C 2, 10uF

C 3, 10uF

R A2

R A1

POT1

POT230 kΩ

10 kΩ

R B2

T1, BC 546

T2, 2N2222

T3, BD139

4.5 V

R p1

R p2

VC C

C 5,470uF

C 4, 470uF

RM

R E 3Altifalante

8 Ω

MIC

vIN

vOUT

vI1 vO1 vI2 vO2 vI3 vO3Andar 1 Andar 2 Andar 3

mic ro

LM 324

vRE F

vB2

vE 3

vC127 kΩ

Amplificador

1 kΩ

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Na tabela seguinte listam-se os dados disponíveis para o projeto:

Componente Valor Descrição RM 27 kΩ Para polarização do microfone RB1 300 kΩ Resistência elevado valor para polarizar o T1 RC1 A determinar RE1 1 kΩ RA1 A determinar RA2 A determinar RP1 A determinar RP2 A determinar RB2 A determinar RE3 A determinar

POT1 30 kΩ ou 20 kΩ Tem a função de controlo de volume POT2 10 kΩ Para ajuste do PFR de T2 e T3

C1 10 uF Para desacoplamento DC C2 10 uF Para desacoplamento DC C3 100 uF Para desacoplamento DC C4 470 uF Para desacoplamento DC C5 470 uF Para definição de Vref T1 BC 546B Transistor NPN de ganho elevado T2 2N2222 Transístor de média potência T3 BD139 Transístor de média potência

AMPOP LM324 Integrado com 4 AMPOPS Altifalante 8 Ω , 0.5 W máx. Microfone Tipo Electret

VCC 4.5 V Tensão de alimentação VC1 1.79 V

VREF = VCC / 2 VE2 2.3 V

P RE3 264.5 mW Potência dissipada na RE3 e em DC O circuito e os seus componentes.

Figura 3 – Alguns dos principais componentes do projeto.

Altifalante

Microfone

Condensador Electrolitico

Potenciometro

LM324

BC 546 2N2222

BD 139

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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.

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.

BC 546

2N2222 BD 139

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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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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=vO1

vi1

, Av2=vO2

vi2

,

Av3=vO3

vi3

e ganho total do amplificador.

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4- Experimentação Montagem

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 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.

L ig ação ao Mic ro+

1º ANDAR2º ANDAR

3º Andar+

L ig ação A ltifalante

VC CGND

GNDVC C

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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 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?

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