PROYECTO FINAL: AMPLIFICADOR DE SEÑAL DE AUDIO DE 15W Y BOCINA CASERA


 


INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

 

 

CAMPOS Y ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

 

 

 

PROYECTO FINAL: ARMADO Y FUNCIONAMIENTO DE UN AMPLIFICADOR Y UNA BOCINA CASERA

 

 

DUARTE ZAPOTE ADRIANA

 

 

 

3CM13

                                PROF: ING. ROLANDO BRITO 



INTRODUCCIÓN

Los amplificadores de audio son componentes que son bastante antiguos en el mundo de la electrónica y surgen gracias a la necesidad de amplificar las señales de audio para que el sonido tenga un mayor alcance y que pueda ser percibido por grandes masas.

Mientras que los parlantes, a pesar de tener una estructura base sencilla, son parte fundamental de un amplificador, pues por estos saldrá la señal de audio.

Gracias a los avances tecnológicos han ido teniendo mejoras, haciendo que tengan diseños más prácticos y menos complejos. 

Los detalles del funcionamiento y desarrollo de los amplificadores y los parlantes están enmarcados en el campo de la electrónica, sin embargo, la siguiente investigación se enfocará más en el campo señales y ondas electromagnéticas.

Así mismo, se explicará de manera detallada y clara el procedimiento de armado de un amplificador básico de 15 watts.

También se presentará cada uno de los elementos empleados al igual que algunas de sus características más importantes.



OBJETIVOS.

Objetivo general:

Realizar un amplificador de audio agregándole un sistema de amplificación usando diversos componentes como un circuito operacional entre otros por medio de los arreglos básicos con potenciómetros, capacitores, resistores, entre otros. 

Aplicar conceptos básicos de electromagnetismo tanto para el desarrollo del amplificador como para el de la bocina.

 

Objetivos específicos:

  1. Aumentar los niveles de sonido en aparatos electrónicos que se utilizan cotidianamente.
  2. Aplicar los conocimientos adquiridos en  clases con respecto a los elementos empleados en el desarrollo del proyecto, la función de cada elemento ocupado, definición y funcionamiento de un amplificador y un parlante básico, entre otros.



MARCO TEÓRICO

De primera instancia es importante conocer la base de la investigación. Amplificar ondas de sonido muy bajas se ha convertido en un problema el cual queremos solucionar con la implementación de nuestro amplificador de ondas para ello nos basamos en conocimientos electrónicos y acústicos básicos. 

Un amplificador es un elemento fundamental empleado para elevar el nivel de la señal, que le meteremos a la entrada al equipo, obteniendo a la salida de la misma señal, pero aumentada (amplificada).

Modifica el contenido en frecuencias de la señal que procesa. Para ello, cambia las amplitudes de sus coeficientes de Fourier, lo que se traduce en diferentes volúmenes para cada frecuencia. Con esto se puede variar de forma independiente la intensidad de los tonos básicos.

Ciertos modelos de ecualizadores gráficos actúan sobre la fase de las señales que procesan, en lugar de actuar sobre la amplitud.

De un modo doméstico generalmente se usa para reforzar ciertas bandas de frecuencias, ya sea para compensar la respuesta del equipo de audio (amplificador + altavoces) o para ajustar el resultado a gustos personales.

Los hay analógicos y digitales, activos o pasivos, paramétricos, gráficos y para gráficos. Los ecualizadores profesionales suelen tener, al menos, 10 bandas. Las normas ISO establecen que las bandas de frecuencia han de ser, al menos, 31, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 y 16 000 Hercios. Estas bandas de frecuencias básicas son controladas por un farde (u otro potenciómetro o control alternativo) que puede atenuar o introducir ganancia hasta en 12 dB, o aún más. 

Impedancia

La impedancia es la resistencia (oposición) que presenta cualquier dispositivo al paso de una corriente, en este caso alterna.



AMPLIFICADOR   

La tarea de un amplificador de audio es tomar una pequeña señal y hacerla más grande, sin añadirle ningún tipo de cambio. Esta es una tarea exigente, ya que un sonido musical generalmente contiene varias frecuencias, todas los cuales deben ser amplificadas por el mismo factor para evitar cambiar la forma de la onda y por lo tanto la calidad del sonido. Un amplificador que multiplica las amplitudes de todas las frecuencias por el mismo factor, se dice que es lineal. Las desviaciones de linealidad conducen a diversos tipos de distorsiones.

Los detalles sobre el funcionamiento de los amplificadores están enmarcados en el campo de la electrónica, pero para los propósitos de audio por lo general, se puede decir que los actuales amplificadores de audio comerciales son tan buenos que rara vez el funcionamiento normal de un amplificador, limita la fidelidad de un sistema de reproducción de sonido. Debe asegurarse de que el amplificador puede proporcionar suficiente potencia para alimentar los altavoces existentes, por lo demás, los amplificadores son normalmente uno de los elementos más fiables de un sistema de sonido.


Estructura completa de un amplificador

En un capítulo anterior ya hemos visto las partes de las que está formado una etapa de potencia o etapa de amplificación, en este capítulo presentaremos la estructura general/competa que tienen los amplificadores, y de la cual nos basaremos y deberemos tener muy en cuenta, cuando vayamos a realizar el diseño de un amplificador. 

Se ha de tener en cuenta que, los amplificadores comerciales constan de una o más fuentes de alimentación, previos como controles de balance, graves, agudos, volumen y otros, y después las etapas de potencia, sin estar contenidas las anteriormente dichas en esta etapa. En el caso de existir control digital, el selector de canal puede ir incluido en esa parte, aunque puede ser mecánico. Un extra que se ha extendido a casi la totalidad de los amplificadores es el mando a distancia, lo cual como se ha de suponer no es indispensable para estos equipos, sino que lo que ofrecen es una mayor comodidad al usuario final.

Se ha visto por ahora todo lo que los fabricantes de amplificadores comerciales ofrecen en el mercado, pero ¿realmente, es necesario, que un amplificador tenga todos estos elementos? Pues bien, la respuesta es claramente que no, ya que cuando se empezaron a fabricar estos aparatos, estos elementos no fueron incluidos desde un principio. Lo mínimo necesario que debe tener para que pueda funcionar un amplificador es:

• Fuente de alimentación.

• Control de volumen.

• preamplificador (previos)

• Etapa(s) de potencia.

El esquema más normal de un amplificador es este:


FUENTE DE ALIMENTACIÓN

Una fuente de Alimentación se encarga de suministrarnos la potencia necesaria para hacer funcionar cualquier aparato al que esté conectado, este reduce el Voltaje y Corriente hogareños, por ejemplo, reduce de 120V 60Hz CA a 19V 3A 120Hz CA. Una vez rectificamos el valor hacia Corriente Continua este subirá a aproximadamente 25V con 3A.

La fuente consiste en un puente rectificador de diodos, capacitores. Adicionalmente se puede incluir un regulador y un sistema de protección para mejorar el sonido y proteger nuestro aparato. La protección suele ser de uno hasta doce fusibles. El regulador puede ser un simple LM7820 o un Zener con un Transistor, también hay más métodos de regulación, pero no son tan usados. 


CARACTERÍTICAS DE LOS COMPONENTES EMPLEADOS

Resistencias

Son componentes electrónicos que tienen la propiedad de presentar oposición al paso de la corriente eléctrica. La unidad en la que mide esta característica es el Ohmio y se representa con la letra griega Omega (W). 

Los símbolos eléctricos que las representan son:

Las características más importantes de las resistencias, también llamadas resistores, son: 

Valor nominal: Es el valor en Ohms que posee. Este valor puede venir impreso o en código de colores. 

Tolerancia: Es el error máximo con el que se fabrica la resistencia. Esta tolerancia puede ser de +-5% y +-10%, por lo general. 

Potencia máxima: Es la mayor potencia que será capaz de disipar sin quemarse.


Condensadores

Un condensador eléctrico (también conocido como capacitor) es un dispositivo capaz de almacenar carga eléctrica.

Está compuesto por dos placas metálicas que no llegan a tocarse (de ahí su símbolo circuital) y entre las que se existe un elemento dieléctrico (una sustancia que conduce mal la electricidad), lo que genera una diferencia de voltaje entre ambas placas. 

Existen muchísimos tipos de condensadores diferentes. En función de su capacitancia, del voltaje que soportan y del material con el que han sido construidos.

Los tipos más comunes:

De Mica: No polarizados. Especialmente útiles para frecuencias y voltajes altos.

Electrolíticos: Polarizados. Con valores de capacitancia muy elevados.

De Tantalio: Polarizado. Es un tipo de condensador electrolítico de mayor precisión y menor relación capacidad/volumen.

Plásticos: No polarizados. Sus valores difieren en función del tipo de plástico empleado (poliéster, policarbonato, polipropileno, poliestireno…).

Cerámicos: No polarizados. Útiles a un rango muy amplio de frecuencias.

Variables: Una de las placas metálicas es móvil, con lo que se consigue variar el valor capacitivo del condensador.

Varicap: Tratándose realmente de un diodo, este elemento se utiliza frecuentemente como condensador variable.

Transistor

Es un componente electrónico formado por materiales semiconductores, de uso muy habitual. 

Un transistor es un componente que tiene, básicamente, dos funciones:

– Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una señal de mando (interruptor).

– Funciona como un elemento amplificador de señales.

TIPOS DE TRANSISTORES

Transistor de Contacto Puntual

Llamado también transistor de punta de contacto, Consta de una base de germanio, semiconductor para entonces mejor conocido que la combinación cobre-óxido de cobre, sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector. 

Transistor de Unión Unipolar

También llamado de efecto de campo de unión (JFET), Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. 

Transistor bipolar

Los transistores bipolares surgen de la unión de tres cristales de semiconductor con dopajes diferentes e intercambiados. Se puede tener por tanto transistores PNP o NPN.



Diodos de cristal

Diodo (valvular): Es una válvula electrónica que consta de un ánodo frío y un cátodo caldeado. Se emplea como rectificador. También es conocido como una variante más sencilla del tubo termoiónico. Su cátodo es un filamento de tungsteno cubierto de óxido de torio; al aumentar la temperatura del filamento, el óxido de torio emite electrones que son atraídos por el ánodo o placa, que tiene carga positiva por hallarse conectado al terminal correspondiente de una batería.

El diodo de cristal suele tener un tamaño milimétrico y, alineados, constituyen detectores multicanal que permiten obtener espectros en milisegundos. Son menos sensibles que los foto multiplicadores. Es un semiconductor de tipo p (con huecos) en contacto con un semiconductor de tipo n (electrones).

Transformador 

Se denomina transformador a un dispositivo electromagnético (eléctrico y magnético) que permite aumentar o disminuir el voltaje y la intensidad de una corriente alterna de forma tal que su producto permanezca constante (ya que la potencia que se entrega a la entrada de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, tiene que ser igual a la que se obtiene a la salida). 

Ojo no hay transformadores de corriente continua, solo hay de corriente alterna. Como la mejor forma de transportar la corriente eléctrica es en alta tensión, pero después hay que disminuirla hasta 220V al llegar a las viviendas, solo es posible transportar la corriente en c.a. ya que existen transformadores. 

 Nunca se transporta en c.c... Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce. Este conjunto de vueltas se denomina: Bobina primaria o "primario" a aquella que recibe el voltaje de entrada y Bobina secundaria o Secundario" a aquella que entrega el voltaje transformado.



PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL ALTAVOZ

Dos son los sistemas en que se divide el altavoz, uno es el de excitación y el otro el acústico

El sistema de excitación, también conocido como motor del altavoz, está constituido básicamente por un imán permanente que posee un fuerte campo magnético, dentro de ese campo magnético está situada una bobina unida al cuello del cono, que pertenece ya al sistema acústico.

El principio básico se basa en que, al circular una corriente eléctrica por una bobina, ésta crea un campo magnético que posee una polaridad. Si esta bobina está situada dentro de la acción de otro campo magnético, dependiendo de la polaridad de la bobina, ésta experimentara un rechazo o un acercamiento dentro del campo magnético en que está situada, o lo que es lo mismo, se desplazara en sentido longitudinal a la propia bobina El sistema acústico tiene por finalidad trasmitir un movimiento al aire que lo rodea Este movimiento es el ideal para convertir en sonido la señal eléctrica entregada al altavoz por el equipo amplificador La señal eléctrica hace que se desplace la bobina y ésta mueva el cono Montado en un armazón metálico y en su borde exterior sujeto a un elemento flexible, el cono posee en su centro un dispositivo (centrador) encargado de que la bobina se mantenga en el centro del campo magnético.

A la hora de construir el cono del altavoz se tendrá en cuenta la medida del diámetro de éste. debido a la influencia que tiene el diámetro del altavoz con respecto a la longitud de onda de la frecuencia emitida por el mismo y a la direccionalidad que se obtiene en la reproducción sonora Por tal motivo, son de dimensiones reducidas los altavoces preparados para emitir elevadas frecuencias.

Altavoz electrodinámico

Está formado por un electroimán que posee una pieza central sobre la cual se arrolla una bobina. denominada bobina de campo, la cual posee gran número de espiras; sirve para excitar el electroimán. Dentro del entrehierro se suspende la bobina móvil formada por un número muy reducido de espiras arrolladas sobre un elemento aislante. Por ella circulan las corrientes de audiofrecuencia que entrega el amplificador En el elemento aislante sobre el que va situada la bobina móvil, y coincidiendo con el extremo de la bobina va sujeto por sus bordes al cono que a su vez va unido al soporte metálico del altavoz en su extremo exterior

 El centrador construido con material flexible permite el desplazamiento longitudinal del conjunto bobina cono, evitando el desplazamiento lateral.


Por la bobina de campo se hace circular una corriente eléctrica con una determinada polaridad (normalmente se conecta en serie con el circuito de alimentación de modo que el filtraje de dicha tensión sea lo mejor posible) por lo que se crea un campo magnético. La señal de audiofrecuencia recorre la bobina móvil creando al mismo tiempo un campo magnético que en ocasiones se encontrara en oposición o no, con el campo magnético creado por la bobina de campo del resultado de la interacción de ambos campos se obtiene el desplazamiento longitudinal de la bobina móvil.


DESARROLLO DEL PROYECTO

Cronograma de actividades:

 

DICIEMBRE

ENERO

 

Semana 1

Semana 2

Semana 3

Semana 1

Semana 2

Semana 3

Etapa

Actividad

15-18

22-25

29-31

5-8

11-14

15-17

1

Planteamiento y análisis de ideas.

 

 

 

 

 

 

Elección del proyecto.

 

 

 

 

 

 

2

Selección y análisis del diseño.

 

 

 

 

 

 

Cotización del material

 

 

 

 

 

 

Obtención del material

 

 

 

 

 

 

3

Fabricación

 

 

 

 

 

 

4

Investigación para el marco teórico.

 

 

 

 

 

 

Elaboración y edicion del video.

 

 

 

 

 

 

Escritura del reporte

 

 

 

 

 

 

5

Entrega final

 

 

 

 

 

 

Costos:

En este caso el gasto del amplificador fue de un total de $370, pues se adquirió el kit completo donde incluía componentes, chasis y elementos varios.
Para la bocina los costos fueron:
Hilo de cobre $50 (20 m)
Imán de neodimio $80
Hojas de color $4
Cable $16 (4m)
Cables RCA a jack $30 (2)

ELABORACIÓN DEL AMPLIFICADOR

Materiales empleados:

 RESISTENCIAS

  • 180 kohms
  • 22 kohms (x2)
  • 2.2 kohms
  • 2.2 ohms  (x4)
  • 10 ohms (x2)
  • 270 ohms
  • 330 ohms
  • 33 kohms
  • 220 kohms
  • 12 ohms

CONDENSADORES

  • ELECTROLÍTICO 33 MF 50V o más
  • FIJO 0.1 MF 50V o 104
  • ELECTROLITICO 220 MF 25V o más
  • FIJO 0.1 MF 50V 0 104
  • FIJO 0.1 MF 50V 6 104
  • ELECTROLÍTICO 1000 MF 35V o mas
  • ELECTROLITICO 100 MF 25V o más
  • FIJO 0.022 MF 50V 0 223
  • FIJO 680 PF SOV

SEMICONDUCTORES

  • TRANSISTOR 2222
  • TRANSISTOR BD 1366 BD 138
  • TRANSISTOR TIP 41 A 6B8C
  • TRANSISTOR TIP 42 A 6B6C
  • DIODO DE CRISTAL IN4148 6 F2

VARIOS

  • DOS DISIPADORES TO 220
  • UN DISIPADOR TO 92 CABLE (40R, 60N, 60V)
  • SOLDADURA 60/40
  • TORNILLOS CON TUERCA (46.2CH)
  • Transformador 48Vc
  • Fusible
  • Tablillas fenólicas previamente impresas

DIAGRAMA SIMBÓLICO


PROCEDIMIENTO 

Paso 1: Se lija ligeramente la tablilla fenólica para eliminar impurezas, posteriormente se dibuja el circuito en la tablilla fenólica con un plumón permanente.


Paso 2: Se dejan las tablillas en cloruro férrico aproximadamente unos 15 minutos o hasta que se vea que se consumió el excedente de cobre.
Paso 3: Se limpia bien con acetona pura para eliminar la tinta del plumón y que solo queden las pistas.
Paso 4: Se hacen las perforaciones correspondientes donde irán las terminales de los componentes.


Paso 5: Se soldan los elementos de acuerdo al diagrama simbólico.



Paso 6: se colocan las tablillas y los demás elementos en el chasis, las tablillas y el transformador se aseguran con tornillos y tuercas, las entradas RCA con tuercas al igual que los potenciómetros.



Paso 7: Se soldanlos cables de la fuente de alimentación, los cables de audio de los circuitos a las entradas y salidas de señal.




Paso 8: Está listo para su uso, se verifica que todo esté en su lugar y en correcto funcionamiento.



ELABORACIÓN DE LA BOCINA

Materiales empleados:
  • Hilo de cobre (aprox. 6m)
  • Carón
  • Imán de neodimio
  • Tapa grande (en este caso de garrafón)
  • Hojas de color 
  • Lata de aluminio
  • Pistola de silicón
  • Cola loca
  • Tijeras
  • Compás
  • Cable de audio (2m)
  • Diurex
  • 2 cables RCA a jack
  • Soldadura
  • Cautín

PROCEDIMIENTO 

Paso 1: se hacen dos círculos en el pedazo de cartón (no necesariamente una medida exacta),posteriormente se dibujas los orificios correspondientes, posteriormente todo esto se recorta, quitándole un tercio del círculo para poder formar una especie de cono y fijarlo con silicón caliente.
Paso 2: Se corta un triángulo en uno de los lados largos de la hoja de color, esto con la finalidad de hacer un cono que será la membrana de la bocina. 
Se acopla y recorta el cono a la medida de la base de cartón. 
Paso 3: Se enrolla un pedazo de papel en un plumón cuyo diámetro sea un poco mas grande que el imán, se corta a la medida del plumón, quitando excedentes pues tiene que quedar no justo entre el imán y su base. 
Paso 4: Se enrolla el hilo de cobre en el papel aún en el plumón, aproximadamente se dan 100 vueltas dejando dos extremos libres, se asegura con un poco de cola loca para evitar desenrollarse.
Paso 5: Se saca el tubo con la ahora bobina de hilo de cobre del plumon, se recorta el excedente y se asegura que el tubo de papel y la bobina entren entre  el imán y su base.
Paso 6: Se toma la medida del diámetro del tubo de papel en la punta del cono de papel, se recorta lo que sobra de la punta y se une la bobina con el cono/membrana con silicón caliente.
Paso 6: Se introduce la membrana con la bobina en la base de cartón y se fija el imán en la tapa de plástico, posteriormente se une la bobina con el imán.
Paso 7: Con la parte superior de la bocina se dibuja un círculo en otro trozo de cartón, lo que nos ayudará a mantener la membrana fija y que esta no se mueva. Se recorta el circulo y se fija con silicón caliente a la parte superior de la bocina.
Paso 8: Se recorta la base de la lata de aluminio, quedando un circulo, este se fijará con silicón al orificio que une la membrana con la bobina, esto evitará que entre basura y otros elementos que puedan estropear el funcionamiento correcto de la bocina. 
Paso 9: Se corta un trozo de palito de madera y dos laminas pequeñas de la lata de aluminio, cada lamina irá a cada extremo del palito, se fijan con cola loca y después con silicón a la tapa de garrafón. Esto nos servirá como base para soldar los cables y el hilo de cobre. 
Paso 10; se soldan los extremos libres de la bobina, uno a cada lámina de aluminio, después se soldan los cables, uno a cada lamina. 
Paso 11: Se corta uno de los cables RCA, pues solo se utilizará la parte de RCA y no el jack, se unen a los cables de la bocina y se soldan. Está lista para ser usada.
NOTA: Las imágenes del proceso de fabricación se encuentran en el video anexo.


VIDEO EXPLICATIVO

De click en el link para dirigirse al video:
https://drive.google.com/file/d/1BtncJHNHRVyK_z2Te9IeY6JBJnn1yu-b/view




 CONCLUSIONES:

Casi siempre compramos y usamos aparatos sin saber como funcionan más allá de las instrucciones para usuario, e ignoramos lo que en verdad es importante.
Si bien se sabe que la tecnología siempre está a la vanguardia, sin embargo, es imprescindible no olvidar que cada elemento tiene un principio y una base fundamental para poder ser elaborado y/o mejorado. Gracias al desarrollo e investigación de este proyecto esto se observó de una mejor manera. 
Así mismo, se logró ver la importancia y lo fundamental que son los campos electromagnéticos en muchos de los aparatos que usamos cotidianamente, algo que pudiera verse tan sencillo y básico tiene su grado de complejidad, esto fue mejor mostrado en la elaboración de la bocina, pues si bien el resultado fue el de un experimento casero, es comprensible que para una comercial se necesitan conceptos y medidas mas exactas para obtener un resultado óptimo.

BIBLIOGRAFIA:

 




















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