Proyec. De Luces Audioritmicas f2c4q

Universidad del Cauca. Moreno Angela. Circuito de Luces Audiorítmicas.

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CIRCUITO DE LUCES AUDIORÍTMICAS

Moreno Angela [email protected] Universidad del Cauca

Circuito realizado con filtros activos, el cual recibe una señal de audio que se ingresa al modulo de filtrado. El primer filtro solo permite el paso de sonidos graves y el segundo filtro deja pasar los sonidos agudos. Estos circuitos son utilizados en lugares de baile y tienen otro tipo de aplicación como ecualizadores.

ÍNDICE DE TÉRMINO Filtro: Circuito cuya función es modificar el espectro en frecuencia de una señal de entrada (excitación) conforme a determinados requerimientos (especificaciones). LED: Diodo emisor de luz (Led son las siglas en ingles de esto). Es un componente electrónico que la paso de corriente eléctrica en el sentido correcto produce una emisión de luz. Normalmente trabajan con voltajes muy bajitos y el consumo de energía que tienen es mínimo. Amplificador operacional: Elemento activo con una alta relación de ganancia, diseñado para emplearse con otros elementos del circuito y efectuar una operación específica de procesamiento de señales.

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INTRODUCCIÓN

En la aplicación de la Electrónica se utilizan los amplificadores operacionales para crear circuitos eléctricos. En este proyecto se observa la aplicación del amplificador operacional en función inversor combinados con condensadores y resistencias para la para el funcionamiento de un circuito de luces audiorímicas constituido en su primera fase por un A.O el cual recibe una señal de audio (señal de AC) la cual se amplifica e invierte. En la segunda fase la señal es enviada a dos filtros activos de primer orden los cuales la procesan de la siguiente manera: El primer filtro llamado filtro pasa altas permitirá el paso de sonidos agudos los cuales tienen frecuencias altas. El segundo filtro llamado filtro pasa bajas ite los sonidos graves los cuales se reconocen porque maneja frecuencias bajas. Luego de pasar la señal por su respectivo filtro de acuerdo a su frecuencia, se encuentra en cada uno una resistencia en serie con un LED, el cual se enciende dependiendo del tono del sonido y el ritmo de la música.

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AMPLIFICADOR OPERACIONAL Para la creación de filtros activos como para amplificar la señal, es necesario utilizar amplificadores operacionales. Uno de los A.O comercialmente disponibles es el 741 el cual tiene ocho terminales de conexión, cuyas funciones se indican en la siguiente figura:

Fig. 1. Correspondencia entre los números Circulados del circuito integrado y los Nodos del amplificador operacional.

Con ellos se logra la creación de filtros que son sistemas o parte de redes de telecomunicaciones, que presentan características selectivas de frecuencia, es decir que permite que cierta porción del espectro de frecuencias pase por su salida atenuando las señales indeseables. En base a la función principal de los filtros que es permitir el paso libre de la banda de frecuencias que se desea, estos pueden ser:    

Filtros paso bajo Filtros paso alto Filtros pasa banda Filtros supresor de banda

FILTRO PASO BAJO Son aquellos que permiten el paso de señales de frecuencias cero hasta un cierto valor predeterminado que se denomina “frecuencia de corte superior” del filtro. Entendiendo por frecuencia de corte, a aquella para la cual la atenuación que produce el filtro es de 3 db, esto significa que en ese lugar la mitad de la potencia de entrada es eliminada y presenta ceros a alta frecuencia y polos a baja frecuencia. En los filtros activos al realizar un filtro pasa bajas nos permite añadir ganancia a la señal de salida, es decir, obtenemos una amplitud superior a 0 dB en la banda de paso. Varias configuraciones permiten implementar este género de filtros. El circuito utilizado para el proyecto es el siguiente:

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Fig. 2. Configuración inversora que sintetiza filtro de primer orden paso-bajo.

En la configuración presentada aquí, la frecuencia de corte se define como:

(1.1) Utilizando las propiedades de los amplificadores operacionales y las impedancias de los elementos, se obtiene la función de transferencia: (

) (1.2)

A baja frecuencia, el condensador se trata como un circuito abierto, lo que es confirmado por el hecho que el término de la derecha de la ecuación precedente tiende hacia 1 dando una ganancia en la banda de paso de:

(1.3) Con la función de transferencia, se puede demostrar que la atenuación en la banda rechazada es de 20 dB/década o de 6 dB por octava tal como se esperaba para un filtro de orden 1.

FILTRO PASO ALTO Son aquellos que permiten el paso de señales desde una frecuencia denominada “frecuencia de corte inferior” hasta una superior que teóricamente en un filtro ideal se extiende hasta el infinito. En circuitos activos de primer orden se utiliza la siguiente configuración: Primer Seminario Taller Latinoamericano de Instrumentación, Control y Telecomunicaciones SICOTEL 2012

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Fig. 3. Configuración inversora que sintetiza filtro de primer orden paso-alto.

En la configuración presentada aquí, la frecuencia de corte se define como:

(1.4) La función de transferencia resulta del analisis de una configuración inversora tradicional:

( )

( ) ( )

(

) (1.5)

A alta frecuencia, el condensador se trata como un circuito abierto, lo que es confirmado por el hecho que el término de la derecha de la ecuación precedente tiende hacia 1 dando una ganancia en la banda de paso de:

(1.6)

FILTROS PASA BANDA Son aquellos que permiten el paso de señales cuyas frecuencias se encuentran comprendidas entre dos, Primer Seminario Taller Latinoamericano de Instrumentación, Control y Telecomunicaciones SICOTEL 2012

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denominadas “frecuencia de corte superior e inferior” respectivamente. Se puede construir un pasa banda o suprime banda, mediante la combinación de pasa baja y pasa alta. En los circuitos activos se ve claramente esta combinación por medio del siguiente circuito de primer orden:

Fig. 3. Configuración inversora que sintetiza filtro pasa banda.

En la actualidad los filtros activos tienen ventajas respecto a los pasivos porque: Utilizan resistencias y condensadores que se comportan más idealmente que los inductores. Son relativamente baratos. Pueden dar ganancia en la banda de paso y rara vez tienen pérdidas severas (como las tienen los filtros pasivos). El empleo de amplificadores operacionales en los filtros activos proporciona separación entre la entrada y la salida. Esto permite que los filtros activos puedan conectarse fácilmente en cascada a fin de obtener un mejor funcionamiento. Los filtros activos son relativamente fáciles de alinear. Se pueden construir filtros de muy baja frecuencia usando componentes de poco valor. Los filtros activos son pequeños y ligeros. Por otro lado estos presentan desventajas. Requieren una fuente de poder y su frecuencia máxima está limitada a la frecuencia más alta de operación del amplificador operacional. Esto limita a los filtros activos que contienen amplificadores operacionales a pocos mega hertz cuando mucho. Con amplificadores discretos, esta frecuencia se puede exceder. A medida que los fabricantes mejoren la respuesta de frecuencia de los amplificadores operacionales se ampliará el límite superior de frecuencia de los filtros activos. LEDS Los LED se iluminan con voltajes bajitos, normalmente muy inferiores a la tensión que suministran las baterías. Por ello, para evitar que se fundan al aplicarles una corriente superior, normalmente el LED va conectado a una resistencia, la cual limita la corriente que le llega al LED. Existen LEDS de diferentes colores, Verde, Rojo, Amarillo, etc. Estos colores indican la tensión a la que trabajan, el consumo eléctrico que tienen, etc. Es diferente y puede variar según el fabricante del LED. Para conocer el valor de la resistencia limitadora se utiliza la siguiente ecuación: Valor de la Resistencia (R)= Voltios de la fuente – Voltaje del LED Primer Seminario Taller Latinoamericano de Instrumentación, Control y Telecomunicaciones SICOTEL 2012

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Consumo

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(Amperios) del LED (1.7)

Con ello se obtienen las bases teóricas que permite esquematizar la implementación del circuito de luces audiorítmicas, en su forma más simple, de la siguiente manera:

Filtro Pasa Altas

Micrófono

Luces

Amplificador Inversor

Filtro Pasa Bajas

Luces

Fig.4. Diagrama de bloques circuito de luces audiorítmicas

El circuito recibe una señal de 100mV y la amplifica para que a la salida se entreguen 2V. Para esto tenemos una primera etapa que utiliza el siguiente circuito:

Fig.5.Configuracíon inversora.

Este es un A.O inversor cuya ganancia es:

Esta primera etapa amplifica la señal a 200 mV. Para esto se toma un valor arbitrario de lo que se tiene que

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(1.7) por

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En el modulo de filtrado se ingresa la señal obtenida, atenuando las frecuencias mayores a 1Khz por medio del filtro pasa bajas y menores a 1khz por medio del filtro pasa altas, además nos da una ganancia de 10 para que a la salida del circuito se tenga 2V. Lo anterior se puede describir matemáticamente de la siguiente forma Filtro pasa bajas: Para hallar los valores de y se le da un valor arbitrario al capacitor de 0.1 f ya que comercialmente se puede adquirir con mayor facilidad el valor de que el de un capacitor, debido a que sus valores son más limitados. De acuerdo a la ecuación (1.1) se tiene que por la ecuación (1.3) que =159

=1.59k y según la ganancia que se quiere obtener tenemos

Filtro pasa altas: De forma similar se hallan los valores para y utilizando la ecuación (1.4), tomando para este caso el mismo valor del capacitor utilizado en el pasa bajas, los cual lleva a que k . Tomando la ecuación (1.6) se tiene

15.9k .

Con los datos anteriormente obtenidos podemos realizar un montaje virtual usando una plataforma de simulación como Proteus o PSpice lo cual nos da:

Fig.7. Circuito completo de luces audiorítmicas simulado en Proteus.

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SIMULACION DEL AMPLIFICADOR INVERSOR

Fig.8.Circuito Amplificador inversor simulado en Proteus.

Utilizando el osciloscopio se tiene:

Fig.9. Grafica de señal de entrada y salida del A.O inversor.

VOLTAJE DE SALIDA VOLTAJE DE ENTRADA SIMULACION DE FILTRO PASA ALTAS

Fig.10.Circuito pasa altas simulado en Proteus.

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Fig.11.Grafica de las frecuencias en filtro pasa altas vs frecuencia de entrada (1khz). SIMULACION DE FILTRO PASA BAJAS

Fig.11. Circuito pasa bajas simulado en Proteus.

Fig.12. .Grafica de las frecuencias en filtro pasa bajas vs frecuencia de entrada (1khz).

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CONCLUSIONES Los filtros activos, resultan ser una herramienta muy útil en el tratamiento de señales así también para la amplificación de estas. Se pueden configurar como filtros paso bajo, paso alto, paso banda y de banda eliminada. Estos tienen algunas características propias, las cuales se diferencian de los filtros pasivos ya que estos son de menor peso y de tamaño más pequeño en aplicaciones de bajas frecuencias.

Al realizar los diferentes tipos de filtro la atenuación de la señal se debe, si bien a las ramas que tienen los capacitores funcionan como cables que presentan una impedancia que atenúa la señal dependiendo de la configuración. Para lograr la creación de filtros es necesario el uso de amplificadores operacionales, los cuales actúan, junto con las resistencias y los condensadores, como potenciadores de las señales los cuales resuelven muchas de las desventajas de los filtros pasivos. .

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REFERENCIAS [1] Acosta Enrique Salgado Circuitos Electricos III [Informe]. - Popayan : Universidad del Cauca, 1999. [2] C.Dorf Richard Circuitos Eléctricos [Libro]. - México : Alfaomega, 2003. - Vol. 5. [3] J.I.Escudero M.Parada, F.Simón www.dte.us.es [En línea] // www.dte.us.es. - pdf. - 9 de julio de 2012. http://www.dte.us.es/ing_inf/ins_elec/temario/Tema%204.%20Filtros.pdf. [4] Jesiotr Valeria, Bematene Ezequiel y Winograd Emilio Amplificadores operacionales en circuitos electrónicos [Informe]. - [s.l.] : Departamento de Física, FCE y N UBA, 2005. [5] M Mariano Cubillos Conferencia de clase circuitos IV amplificadores realimentados y amplificadores operacionales [Informe]. - Popayán : [s.n.], 1990. [6] Nilsson James W. Circuitos electricos, 7 Edicion [Libro].

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