Amplificatore audio - Tesina per tecnico industriale

Indice

Materie coinvolte:

• T.D.P. Tecnologia Disegno e Progettazione
• Progetto d’esame
• Elettronica
• Filtri attivi del primo e del secondo ordine
• Amplificatori di potenza
• Progetti realizzati

Amplificatore audio finale in classe AB con

regolatore di toni alti, medi e bassi

Schema a blocchi:

Come si può vedere dallo schema, il circuito è formato da 5 blocchi:

• Il primo blocco è uno stadio separatore che evita gli effetti di carico al resto del circuito, elimina le componenti continue e permette la regolazione del volume;
• Il secondo blocco è costituito da un filtro passa basso di Butterworth del 2° ordine;
• Il terzo blocco è un filtro passa banda di Butterworth del 2° ordine;
• Il quarto blocco è formato da un filtro passa alto di Butterworth del 2° ordine;
• Il quinto, sesto, settimo blocco riguarda l’amplificazione, composto da un AO che eleva la tensione, seguito da un amplificatore in classe AB di piccola potenza e di buona qualità;
• Infine in uscita sono collegati 3 altoparlanti che riproducono le frequenze specifiche.

Schema elettrico del progetto

1° blocco – Stadio separatore

Figura 1

Principio di funzionamento:

Questo blocco è uno stadio separatore posto all’inizio del circuito. Il suo scopo è quello di regolare il volume del segnale in ingresso, o meglio la sua ampiezza, attraverso un potenziometro logaritmico da 10; poi grazie al condensatore elettrolitico C6 è possibile eliminare le eventuali componenti continue provenienti da qualche possibile disturbo del segnale in ingresso. L’insieme di C6 e R16 costituisce un filtro passa alto che ha una frequenza di taglio . Infine ho collegato un Voltage follower, la cui proprietà è quella di prendere il segnale in ingresso e di trasferirlo in uscita, quindi la tensione di uscita segue le variazioni della tensione d’ingresso. Inoltre serve ad evitare l’effetto di carico, ovvero separa la grande impedenza del generatore applicato all’ingresso da quella del resto del circuito che è più bassa, evitando così di compromettere il funzionamento del circuito.

2° blocco – Filtro passa-basso

Figura 2

Discussione sul funzionamento:

Questo blocco è un filtro passa basso di Butterworth, del secondo ordine, di tipo VCVS (Voltage Controlled Voltage Source). Questo circuito si chiama appunto passa-basso perché permette di filtrare le frequenze che vanno da 0 Hz fino a una frequenza desiderata, per poi attenuare tutte quelle successive.

La caratteristica di questo filtro è che ha una risposta piatta del valore di centro banda ed ha un guadagno pari a 1,59V. Tale filtro consente una transizione di tipo monotona e priva di ondulazioni tra banda passante (che contiene le frequenze interessate) e banda oscura (che contiene le frequenze da eliminare), quindi è particolarmente adatto per le applicazioni audio.

Il filtro che ho utilizzato presenta due poli, ma è possibile realizzare filtri di ordine pari e maggiore al secondo, ponendo in cascata più unità elementari come quella della figura 2.

Qui in basso il grafico che rappresenta i diversi andamenti di questo filtro a seconda del numero di poli:

Figura 3

Dimensionamento

1) Fissato il numero n dei poli, con n pari, si pongono n/2 stadi elementari in cascata:



n = 2 n stadi = 1 .

2) Per facilitare il dimensionamento dei componenti si scelgono R1=R2=R, e C1=C2=C.

3) Fissato il valore della frequenza di taglio ft = 2 kHz, si sceglie un valore di C = 10 nF e si ricava il valore di R utilizzando la formula R = ottenendo: R = 7958 . Poiché non è un valore di resistenza esistente, vado a scegliere un valore che sia presente tra quelli nominali e che si avvicini di più a quello calcolato, ovvero R = 8,2 k . Variando R quindi, mi andrà anche a variare la frequenza di taglio, ottenendo ft = 1941 kHz , che si avvicina molto a 2 kHz.

4) In funzione del numero di poli che devono essere presenti nella risposta in frequenza si determina, utilizzando la tabella seguente, il valore del guadagno statico K.

Figura 4

Poiché il filtro che sto utilizzando è del secondo ordine, il mio guadagno statico sarà: K = 1.586.

Ora sapendo che nei filtri di Butterworth il coefficiente di smorzamento Z = 0.707 mi vado a calcolare il valore del guadagno A dalla formula:

 

Z = 0.707 = A = 1.586 (A = K)

che è esattamente il valore riportato in tabella. Poiché il circuito è sostanzialmente un amplificatore non-invertente, so che il guadagno A = quindi per dimensionare definitivamente il circuito mi vado a scegliere un valore di R (compreso tra 10 k e 100 k) in modo da calcolare R :

f   

( )  

A = R = R (A – 1) con Ri = 8200 R = 4805

f i f

Il valore trovato però non è presente nella gamma dei valori nominali, quindi a causa della notevole sensibilità che presenta il filtro VCVS rispetto alla variazione dei valori dei componenti del circuito, è conveniente utilizzare un trimmer e, mediante l’utilizzo di un multimetro, impostarlo esattamente al valore di 4,8K. Personalmente ho deciso di utilizzare una resistenza R da 4700 , poiché c’è una differenza di soli 100, che mi andrebbero solamente a variare minimamente il guadagno del filtro.

f

Simulazione

Dopo aver calcolato i valori dei componenti posso procedere a disegnare il circuito sul computer, utilizzando MULTISIM. In questo modo è possibile effettuare uno studio in frequenza per vedere l’andamento ideale del segnale al variare della frequenza.

Figura 5

Come si può vedere, nel grafico sono indicati il valore del massimo guadagno del filtro, che si avvicina molto al valore dell’amplificazione K (1.586), e della frequenza di taglio che è quasi uguale a quella calcolata (1,941 kHz). Infatti la frequenza di taglio è quel valore di frequenza per cui il modulo della funzione di trasferimento al valore di centro banda diventa , cioè 1.10.

√

Una volta che ho simulato il comportamento del circuito con il programma e vedo che funziona, posso procedere con la progettazione del circuito stampato utilizzando ULTIBOARD, che mi permette di disporre i componenti e di collegarli tra loro secondo lo schema elettrico, e poi di realizzarlo con la fresa.