ELECTRNICA ANLOGA II EPIE-UNSA

ELECTRNICA ANLOGA II EPIE-UNSA2014

1. INTRODUCCINIncluso actualmente muchos de los aspectos en el diseo de amplificadores de guitarra estn cubiertos en un misterio. Mucho del material escrito al respecto es controversial. La mayora se enfoca en aspectos irrelevantes como que tubo, transistor, diodo, resistencia o que marca de capacitor proporciona el mejor tono.Existen muchas ms razones por la cual se crean falsas creencias como que el diseo de amplificadores de guitarra es un arte oscura pero el diseo de amplificadores ser siempre pura ciencia basada en la electrnica.Existe mucho material sobre amplificadores valvulares, los amplificadores de estado slido son bastante ignorados. El caso es peor cuando se trata de amplificadores de guitarra. Afortunadamente los circuitos de estado slido y a base de vlvulas tienen muchas similitudes, sin embargo algunos principios usados en las vlvulas no funcionan en los transistores.Algunos afirman que un amplificador de estado slido no puede sonar tan bien como uno a vlvulas, esta afirmacin no es correcta, el diseo de amplificadores de estado slido ha mejorado en los ltimos aos. Apareciendo nuevos transistores como los MOSFET que tienen un comportamiento similar a los tubos usados en los amplificadores valvulares.En este proyecto se presenta el diseo de un amplificador de estado slido utilizando MOSFET con el objetivo de obtener un sonido tan bueno como el de los amplificadores valvulares.Tambin se disearan efectos para la guitarra elctrica ya que tambin los avances en la electrnica se pusieron en prctica para realizar experimentos en el sonido de la guitarra primordialmente para simular la saturacin de un amplificador valvular y una variedad de efectos que son agradables para los guitarristas.Finalmente un amplificador se complementa con sus efectos. 2. INDICE

1. INTRODUCCIN12. INDICE23. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO4Amplificadores Potencia y Volumen4AMPLIFICADOR AB CON SALIDA EN BASE A MOSFET5MOSFETS vs BJT6EFECTOS DE GUITARRA6Auto Wah6Tremolo7Chorus7Delay7Distorsin84. DIAGRAMA MODULAR9Efectos9Preamplificador y Amplificador10ESQUEMA DE BLOQUES COMPLETO105. DISEO POR MODULOS Y ESPECIFICACIONES ELCTRICAS11Diseo de la Fuente de Alimentacin para el Amplificador11Diseo del Amplificador AB con salida basada en MOSFET13El PREAMPLIFICADOR CON CONTROL ACTIVO DE TONO20CONTROL ACTIVO DE TONOS BAXANDALL21Etapa Distorsionadora usando diodos en paralelo24Filtro Pasa Banda25EFECTOS27ATTACK DELAY27TREMOLO30AUTO WAH32BEE-BAA DISTORSION34MXR DISTORSION36FUZZ FACE37OVERDRIVE38DELAY39CHORUS416. CIRCUITO FINAL Y SIMULACIONES437. CONCLUSIONES448. COMENTARIOS449. ANEXOS44

3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOAmplificadores Potencia y VolumenAntes de hablar de potencia es importante entender el volumen. El volumen se mide en decibeles dB y pueden ser absolutos o relativos a otro nivel de volumen. Usualmente los sistemas de audio se muestran en decibeles absolutos.Cuando se comparan parlantes o amplificadores de potencia es la medida relativa la que es importante. 0 dB significa no hay diferencia 1 dB es la mnima variacin en el sonido que se puede percibir 6 dB a 10 dB se percibe como el doble de volumenEsto es altamente subjetivo. Diferentes personas escucharan de diferentes maneras y percibirn de diferente forma. Los guitarristas usualmente usa potencia extra para que el sonido pueda extenderse ampliamente, esto resulta en la percepcin de aumento de volumen.Bueno ya conocemos de decibeles y que 1 dB es la mnima variacin que se puede percibir.Un amplificador de 100 W no suena el doble que uno de 50 W esto se debe que el doble de potencia solo equivale a un aumento de 3dB, para doblar el volumen se requiere al menos de 6dB, lo que es equivalente a 4 veces el aumento de potencia.

Potencia tpica de amplificadores 5 a 15 W es comn para amplificadores para practicar en casa 30 W es comn en bandas y para grabacin 50 W a 60 W es comn para auditorios medianos 100 W es tpico para auditorios de gran tamaoAMPLIFICADOR AB CON SALIDA EN BASE A MOSFETLa mayora de amplificadores de audio emplea transistores BJT en sus etapas de salida, loa MOSFET de potencia representan una alternativa con significativas ventajas Los MOSFET laterales fueron los primeros en usarse en amplificadores de potencia, los MOSFET verticales luego fueron empleados en fuentes conmutadas. Estos se caracterizaron por una mayor transconductancia y mayor capacidad de corriente pico. Algunos afirman que los MOSFET verticales han sido diseados para aplicaciones de audio pero esto no es cierto. Lo importante con las caractersticas del dispositivo.Los MOSFET de potencia poseen muchas ventajas sobre los BJT cuando son usados en la etapa de potencia de un amplificador. Mientras que un BJT necesita corriente de entrada en la base, los MOSFET tienen una resistencia de entrada casi infinita en corriente directa.Esto significa que los MOSFET estn libres de la cada de Beta a elevada corriente que ocurre con los BJT de potencia. Como sabemos el Beta de un BJT cae hasta 20 cuando se llega a 10 A. esto hace muy difcil usarlos a elevada corriente y crean distorsin.La frecuencia de trabajo de los BJT tambin cae a elevada corriente en cambio en los MOSFET la frecuencia tiende a aumentar.Desventajas de los MOSFETS: Baja transconductancia Voltaje mayor para polarizar Tendencia a oscilar en altas frecuencia Precio elevado, especialmente en lateral MOSFET Puerta frgilMOSFETS vs BJTLos BJT han sido el caballo de guerra de los amplificadores de audio desde su salida y esta tendencia se mantendr, los BJT han evolucionado enormemente.Los MOSFET aparecieron en los 70s. La polarizacin en clase AB MOSFET es ms simple y tiende a ser ms estable con a temperatura.Polarizar MOSFET de PotenciaPara la Clase AB los MOSFET requieren mayor voltaje en la compuerta que puede ser mayor a 6V o tan solo de 1.7V como el caso del 2SK1530. En comparacin con los BJT que solo requieren 0.7V, este es el motivo por el cual se necesita mayor voltaje para polarizar a los MOSFETEFECTOS DE GUITARRAAuto WahEl efecto Wah mueve el pico de la respuesta en frecuencia arriba y abajo en el espectro de frecuencia. En el caso del auto wah este, efecto se activa mediante la intensidad con al cual se toca. Se usa un oscilador de baja frecuencia que modulara la seal en frecuencia.

La frecuencia resonante (pico) se mueve alrededor de 400Hz a 2 KHz. Un factor que hace que los pedales tengan un sonido especial es como cambia la resonancia cuando la frecuencia se mueve. Tpicamente los pedales wah tienden a aumentar al resonancia cuando la frecuencia baja.TremoloEste pedal modula el volumen de la guitarra, rpidamente aumenta y disminuye el volumen. Diferentes pedales usan diferentes formas de onda para la modulacin del volumen. Los primeros usan formas de onda senoidales.El corazn del tremolo es un oscilador de baja frecuencia, este oscilador usa frecuencia subsnica menores a 20 Hz tpicamente en 3 Hz a 10 Hz. ChorusEl chorus funciona mezclando una variable retardada con la seal original para producir saltos armnicos en la respuesta en frecuencia.

DelayEl delay es un efecto de eco que repito lo que hemos tocado una o varias veces en un periodo de tiempo.Los primeros delays eran mquinas de cinta que grababan el sonido y luego lo reproducan y luego se borraban, listos para la siguiente grabacin. Variando la mezcla de las grabaciones se lograban obtener diferentes tipos de delay.Los delay modernos son digitales. DistorsinEste pedal trata de emular el sonido de un amplificador saturado.Las primeras versiones comerciales fueron los fuzz que producan un zumbido delgado con mucho recorte de bajo. Ms tarde los diseos se centraron en la saturacin natural y es lo popular actualmente.Existen muchos mtodos para lograr la saturacin pero uno de los ms populares son los diodos en paralelo que producen un recorte suave de la onda con diodos de germanio y un recorte fuerte con diodos de silicio.

4. DIAGRAMA MODULAREfectosLo primero a entender sobre los efectos es que estos modifican el sonido. Al colocar un efecto de fuzz a la guitarra se obtendr un zumbido y si luego se le coloca un wah en la salida del fuzz el wah trabajara sobre el zumbido produciendo un sonido como de sintetizador. Si primero se coloca el wah y luego el fuzz se obtendr otro sonido, esto es porque el fuzz trabajara sobre un sonido que ya tiene el wah, y el wah trabaja con diferentes frecuencias.No hay reglas para el orden de los efectos lo nico que se pude hacer es experimentar y obtener el sonido adecuado o deseado esto tambin es subjetivo de acuerdo a cada persona.Orden tpico de efectosEfectos filtro: wah, phaserCompresorDistorsin Efectos de pitch: Tremolo, OctavadorModulacin: Chorus, FlangerEfectos de Eco: delay A todo este conjunto se le resumir en un solo bloque efectos.

DistorsinGuitarrawahChorusTremoloDelay

Preamplificador y AmplificadorBloques del preamplificador Filtro Pasa Banda

Control de Tonos

Control de TonosDistorsinFiltro Pasa Banda

Bloques del amplificador

Power MosfetDriverAmplificador Diferencial

ESQUEMA DE BLOQUES COMPLETO

Pre amplificadorEfectosGuitarra

ParlanteAmplificador

5. DISEO POR MODULOS Y ESPECIFICACIONES ELCTRICAS Diseo de la Fuente de Alimentacin para el AmplificadorLa eficiencia de un amplificador clase AB vara entre 50% y 75%. Un clculo estimado para una etapa tipo AB es de 60 % de eficiencia.As para un amplificador de 25 W se necesita:

Por lo tanto un clculo realista para la potencia del transformador ser 42W. Podemos colocar un transformador de ms potencia pero lo mnimo necesario seria 42W.Luego debemos calcular el voltaje de salida, supongamos que usamos +- 33 V cd

El Voltaje de salida del transformador ser de +-24 Volts CA Ahora nos falta el clculo de la corriente

Ahora esta corriente nos es til para calcular la corriente para el puente de diodos. En una primera instancia obstaramos por colocar un puente de 1A, pero en la fuente tambin se colocan capacitores que deben estar permanentemente cargados y con tensiones mayores a la tensin de salida de la fuente. Una aproximacin real para al corriente seria de 3 veces la calculada por lo tanto el puente de diodos queda en 3A.El siguiente paso es el clculo de los capacitores de filtro

Necesitamos la corriente en la carga

El voltaje de rizado lo tomamos en 4% (hasta 5% es un valor muy bueno)

Finalmente

Para suplir esta necesidad escogemos valores comerciales 2 de 4700uF en paralelo y tambin un capacitor de 100 nF para trabajo evitar el rizado en un rango mayor de frecuenciasYa tenemos todos los valores de la fuente solo nos queda conectar al chasis la tierra para evitar oscilacione y retornos indeseados.

Diseo del Amplificador AB con salida basada en MOSFETPara este diseo se ha escogido una potencia de 25W. La frecuencia inferir de corte se elige en 20 Hz el esquema que se va utilizar es el indicado en la figura 2. El diseo parte de la impedancia del altavoz. Se disea de derecha a izquierda suponiendo una potencia de 25W sobre un altavoz de 8 ohmios.

Etapa tpica de salida de amplificador MOSFET que reemplaza a los BJT en la clase AB

FIGURA 2

La red de ZobelPara que el altavoz equivalga a una impedancia hmica de 8 Ohm se utiliza una resistencia y capacitor en paralelo con el altavoz

Para que la impedancia equivalente del altavoz sea 8 Ohm se deben cumplir dos condiciones

En primera instancia optaramos por una R1= 8 ohm pero el valor ms cercano comercial es de 8.2 Ohm por lo tanto colocamos una resistencia en serie con el altavoz

Y el capacitor quedara

El valor comercial ms cercano seria de 100nF y para aplicaciones de audio escogemos un capacitor de polyester.

Caractersticas de los MOSFET Q1 y Q2

Estos requerimientos son fcilmente cumplidos por los IRF530 e IRF9539Para polarizar Q1 y Q2 necesitamos 6 V en Q1 y 6 V en Q2

Elegimos una fuente de corriente de 25mA, despreciando la corriente que pasa por las puertas de Q1 y Q2 entonces R12 quedara

Este valor es crtico para la correcta polarizacin de Q1 y Q2 por lo tanto colocamos un potencimetro multivueltaC4 garantiza la unin en alterna de Q1 y Q2 para que las bases estn siempre polarizadas tomamos una corriente un poco superior a 26 mA

Este clculo no es crtico utilizamos un capacitor de 1uF que soporte ms de 12 V

Fuente de corriente independiente de la tensin de polarizacin de 26mA

Amplificador diferencial utilizado como primera etapa del amplificador

Este amplificador diferencial usa una corriente de 2 mA por lo tanto en los colectores habr una corriente 1mAFuente de corriente para el amplificador diferencial

Entrada del amplificador

En sistemas de audio la impedancia de entrada debe ser mucho mayor a la impedancia de salida de la etapa anterior

La entrada tambin acta como filtro y atena el hum

Con frecuencia inferior de corte igual a 7 Hz y frecuencia superior de corte igual a 100KhzEl PREAMPLIFICADOR CON CONTROL ACTIVO DE TONO

CONTROL ACTIVO DE TONOS BAXANDALL

En el extremo bajo de rango de audio o ffT los capacitores actan como corto circuito por lo que ahora al ganancia es controlada por RV8 y la frecuencia fT por al cual el control de altos deja de actuar en la respuesta es

De igual manera el control de medios

Finalmente las curvas de respuesta en frecuencia del control de tonosBajo medio alto activos Medio alto activos

Bajo medio activos Solo alto activo

Solo medio activo Solo bajo activo

Respuesta en frecuancia

Etapa Distorsionadora usando diodos en paraleloEn esta etapa la seal puede venir directamente de la guitarra. La impedancia de salida de las guitarras dependen de las pastillas generalmente son de 500K ohms y 1M ohm para pastillas dobles o hambuckers. Para sistemas de audio la impedancia de entrada de una etapa debe ser mayor a la impedancia de salida de la etapa anterior

Esta impedancia depende del potencimetro y es mucho ms grande que al impedancia de salida de guitarra La funcin de los diodos en paralelo es de recortar la seal en 0.6V y -0,6VLuego esta seal recortada pasa hacia una etapa de ganancia 21 con filtro pasa alta para luego ir al control de tonos

Filtro Pasa Banda

Con frecuencia inferior de 23.4 Hz y superior de 72 KHz

Efecto del circuito a una entrada de amplitud 1V a 1Khz (amarillo)Seal distorsionada medida en R88 (azul)

EFECTOS ATTACK DELAY

Seal de entrada 100mV a 1KHz (amarillo)Seal de salida retardada y amplificada (azul)

Circuito retardador

Salida Q4 (azul)Salida Q5 (rojo)Entrada Q6 (verde)

TREMOLO

Circuito oscilador de baja frecuencia

Seal de entrada 1 Khz (amarilla)Seal oscilante de baja frecuencia (azul)Seal de salida (rojo)

Circuito comparador de la seal de entrada y la seal de entrada con al realimentacin del oscilador de baja frecuencia

AUTO WAH

Seal de salida del oscilador

Seal desfasa en la salida del filtro con respecto a la entrada

Seal entrada (amarilla)Salida desfasada (verde)

BEE-BAA DISTORSION

Etapa distorsionadora

Salida del primer amplificador (amarillo) Salida del segundo amplificador (azul) Salida del tercer amplificador (rojo) Salida despus de la etapa de distorsin (verde)

MXR DISTORSION

Salida despus del amplificador (rojo) Salida despus de la etapa distorsionadora en base a diodos (verde)

FUZZ FACE

Seal de entrada (amarillo) Seal luego del primer amplificador (azul) Seal luego del segundo amplificador (verde)

OVERDRIVE

Seal de entrada (amarilla) Seal recortada luego del operacional (azul) Seal luego de la etapa de diodos (roja) Seal de salida (verde)

DELAY

Buffer de entrada

Buffer de salida y sumador

IC PT2399 que se encarga del delay

CHORUS

Oscilador de baja frecuencia

Filtro de reconstruccin Sallen Key de 3er orden

Bucket Brigade Device: delay anlogo en tiempo discretoEl CD4046 cumple la funcin de reloj para el MN3007 este tiene 1024 capacitores que se descargan generando un delay entre 5.12 y 51.2 ms la frecuencia es seleccionada por el oscilador de baja frecuencia

6. CIRCUITO FINAL Y SIMULACIONES

Hoja Intencionalmente en blanco

7. CONCLUSIONES

Un amplificador clase AB hecho en base a mosfets en la salida tiene una curva ms cercana a los clsico tubos que se usaban en amplificadores antiguos. Es posible usar distintos mtodos para manipular una onda y tener un sonido agradable a la salida. Para distintas niveles de distorsin se puede utilizar recortadores de onda con diodo de conduccin rpida como el 1n914 o tambin recortar la onda a los niveles de alimentacin. Para los efectos que tratan de modulacin tambin utilizan circuitos osciladores estos crean una onda osciladores y la multiplican con la seal de entrada. Hay efectos que se basan en filtros de salidas como lo utiliza el autowah.8. COMENTARIOS Cabe resaltar que para la elaboracin de las pedaleras se tuvo que tener en cuenta la buena elaboracin de las pistas ya que se pudo notar que en las pruebas algunos circuitos hacan de antenas emisoras por lo que se tuvo que volver a realizar el circuito. El sonido de un amplificador a mosfet es ms agradable que uno hecho a transistores Se utiliz un parlante de 6 ohms para un mejor aprovechamiento de la potencia a diferencia de 6. Se utiliz control de tonos por separado para la distorsin ya que los niveles de ganancia que este necesita son diferentes. Se vio dificultades en algunas pedaleras ya que eran circuitos muy sensibles y se tuvo que tener sumo cuidado.

9. ANEXOS

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