Minimizando al Pre-amplificador de audio

Anteriormente vimos, como construir un pre-amplificador para micrófonos electret (http://blog.pucp.edu.pe/blog/tito/2014/09/16/pre-amplificadores-para-micr-fonos-electret-parte-3/),  usando amplificadores operacionales, lo cual nos daba facilidades consideables para cambiar la respuesta en frecuencia. En este artículo, mostraré como diseñar un pre-amplificador, de bajo consumo y con la mínima cantidad de componentes, usando solamente un transistor como componente activo. A este nuevo prototipo de pre-amplificador, lo llamaré Prototipo 2.

Se asume conocimientos de electrónica, especialmente del funcionamiento de los transistores, como requisito deseable para entender mejor el artículo.

El diseño partió de la idea de realizar un preamplificador sencillo de bajo consumo y con pocos componentes de manera que se pudiera construir en el menor espacio posible.

Tomemos como base una configuración de amplificador en clase A. La corriente de colector es el punto clave para determinar el consumo. Fijamos el consumo deseado: 0.5 mA para esta etapa. La corriente  de colector Ic=0.5mA.  y fijando el voltaje de colector cercano a la mitad del voltaje de alimentación obtenemos que Rc debe ser como de 10K.

Para hallar Rb usamos la técnica de reflexión de impedancias, transformando primero la configuración real a una equivalente. Primero debemos obtener antes un valor de las curvas típicas del transistor que vamos a usar. Nos conviene por cuestiones de ruido, usar el BC550, que además presenta elevada ganancia y se comporta bien para audio. Tomamos como valor posible para el hfe de 300.

Ib= (V-0.7)/(Rb+Rc*hfe)

Entonces, para tener caídas similares en Rb y 300*Rc , Rb debe ser 300 veces más que Rc. (3Mohmios)

Pero como habiamos fijado la caida en Rc en 4.5 V, obtenemos entonces para Rb un valor menor:

Rb=2.7 M.

Con esto tenemos ya definido las principales resistencias en el circuito para un consumo de medio miliamperio. Con fines de simplificación haremos que la resistencia de colector sea también el potenciómetro que regule la ganancia, aunque nos dé una impedancia de salida alta.

Pasamos ahora a determinar la resistencia de polarización del micrófono para fijar la corriente adicional que, de antemano, sabemos, va a ser algo de 0.2mA. valor que obtenemos de las curvas ensayadas del  micrófono, y que es mas o menos estable en condiciones normales de funcionamiento.

Como las variaciones son pequeñas podemos realizar un calculo iterativo suponiendo primero V1 = 7V, e Im = .2 mA, entonces Rm debe ser 10K. Pero si V1=7V entonces Im=0.25mA (de la curva de consumo), entonces la caída en Rm es de 2.5 V, por lo tanto V1=6.5 V, que en la curva de consumo no ofrece mucha variación, manteniendo Im en 0.25 mA, por lo tanto se puede asumir que ese es el valor final.

Por último, debemos calcular el valor de C (condensador de acoplo) para obtener una respuesta pasa altos en el sistema polarización del micrófono – transistor polarizado. La frecuencia de corte, como siempre la fijaremos en 500 Hz.

Calculemos el equivalente de Thevenin de la red del micrófono considerando su resistencia dinámica cuando se encuentra  a 6.5 V, obtenemos un valor de 7.2 K. Ahora consideraremos que el hie del transistor se encuentra en 1K, entonces:

C= 1 / (2*p*500*8.2K)

Obtenemos 38n para el condensador de acoplo. Con lo que completamos el diseño hasta la salida del transistor, que es donde vamos a tomar la salida, a través de un potenciómetro, y claro también, a través de un condensador.

En el diagrama general se han hecho algunas variaciones con respecto a los calculados, pero estas, son solo en la red del micrófono y se hicieron con el objetivo de disminuir el consumo de corriente que se perdía pasivamente.

C1 tuvo que ser disminuido, aún cuando no se hubiera cambiado R1,esto es, probablemente debido a que el valor asumido para hie es demasiado bajo. Si se dejaba en 20n, la respuesta se extendía demasiado a la parte baja de audio.

Este nuevo preamplificador es completamente transistorizado y se trata de un diseño extremadamente simple. Se puede decir que se han cumplido las consideraciones de espacio y de consumo previstas. También incluye un control de ganancia, si bien este se puede considerar innecesario si se tiene en cuenta que el nivel de salida es bajo y convendría en casi todos los casos, hacerlo trabajar en su máximo nivel.

El diagrama de bloques es excesivamente simplificado, sólo contiene una etapa amplificadora basada en el único transistor. La ganancia de esta configuración si es bastante alta, y necesaria. Al tomar la salida directamente del potenciómetro, tenemos que la impedancia depende de la posición en que este se encuentre y es en general alta, por lo que se debe tener cuidado si se va a conectar a un amplificador, o transductor, con baja impedancia de entrada.

El tamaño logrado, sin demasiadas complicaciones, fue el de una tarjeta de 1.9 por 1.7 cm, lo que resultante ya bastante reducido y algo incómodo de manipular. Aunque es posible reducirlo todavía más pero ya a este nivel no vale la pena el sacrificio por los resultados. Un detalle en este circuito, es que los cables de alimentación no tienen un “pad” dispuesto en el circuito impreso (tienen que soldarse por la parte posterior del impreso)  y además, el sentido de giro del potenciómetro es horario para aumentar la ganancia, que no es muy usual, pero se puso así, por consideraciones de espacio y conexiones. Por otro lado, quise dejar siempre un espacio libre para que en el caso de adherir algún componente adicional, no haya demasiadas dificultades.

El consumo se mantiene siempre por debajo del miliamperio y se puede notar que es bastante lineal en un rango amplio de voltaje. Por lo tanto se le puede alimentar también, en un rango bastante amplio. El efecto de ruido por exceso de voltaje detectado en el prototipo 1, está también presente aquí, pero su intensidad es menor y sólo empieza a ser notoria a partir de los 20 Voltios. Se puede admitir que trabaje a valores mayores de 10 V o 15 V, pero consideraremos cómo válido, el rango que va desde 6 a 20 Voltios. Recomendado a 9V.

El sonido obtenido es difícil de analizar por la acentuación en bajos. La parte alta se extiende a menos de 10KHz (aproximadamente). Se nota que la sensibilidad aumenta por el ancho de banda. La voz presenta componentes fuertes alrededor de 300 Hz que son captadas fácilmente por este preamplificador y dan la impresión de que responde mejor a la voz. Desgraciadamente por estas frecuencias se encuentra también el molesto ruido ambiental grave.

La amplitud de salida, a pesar de contar con sólo una etapa, es cercana al milivoltio p-p en condiciones de voz normal a una distancia de unos dos metros, o de música a nivel bajo (como para permitir una conversación sin esfuerzo).

Como era de esperar, los niveles de amplitud mas altos se encuentran concentrados en las frecuencias graves. Si la respuesta fuera más atenuada en graves, no se obtendrían fácilmente estos niveles. Desde luego que los picos de salida superan fácilmente los 2 o 3 voltios si se le acerca demasiado a la fuente de sonido, o esta es muy intensa. Las posibilidades de distorsión son todavía bajas y la ganancia aumenta con el voltaje de alimentación pero tiende a estabilizarse como se puede observar en la curva. Este ensayo se realizó con un parlante pequeño y un generador a 1KHz a una distancia de 1m del micrófono y midiendo el nivel con un vúmetro.

 

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