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Amplificatore audio - Sistema per l'amplificazione della voce

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ALTRI DOCUMENTI

STRUTTURA DI UN CONTROLLORE PROGRAMMABILE
Drogaggio del Silicio - DIFFUSIONE TERMICA, IMPIANTAZIONE IONICA
PROGETTAZIONE DI UNO SCHEMA ELETTRICO CON ORCAD CAPTURE
SCHEMA ELETTRICO - Ponte di diodi
Amplificatore audio - Sistema per l'amplificazione della voce

Amplificatore audio

Sistema per l'amplificazione della voce

  

Premessa

Per la realizzazione di codesto progetto, ci siamo ispirati ad una esigenza che pur non essendo primaria è piuttosto sentita, sia a scuola che in altri posti.

Sicuramente nel nostro caso, visto che questo non è altro che un progetto scolastico, il suo principale scopo (sempre se ben funzionante ) è quello di arricchire ulteriormente il nostro laboratorio di tecnologia o se i componenti presenti nel nostro progetto sono stati acquistati a nostre spese, ecco che potremo utilizzarlo noi per soddisfare magari alcune nostre esigenze.

Per il raggiungimento di questo obiettivo, abbiamo dovuto mettere in pratica non solo gli insegnamenti della materia di tecnologia, ma anche di altre come elettronica, sistemi,matematica,disegno tecnologico e progettazione e soprattutto di un applicazione alquanto costante, nello studio dei singoli componenti presenti nel progetto.



La realizzazione del prototipo in questione è avvenuta in ambito scolastico, in cui il prof di TDP Ing . Ghirelli Andrea, coadiuvo dell'assistente di laboratorio, prof. Gabban Alberto, ha svolto l'attività di pianificazione, in modo da facilitarci le operazioni di progettazione e realizzazione dell'amplificatore finale.

Obiettivi

L'amplificazione dei segnali audio occupa un settore ampio e importante nelle discipline elettroniche. Si pensi all'enorme mercato rappresentato dagli apparati di riproduzione del suono, fonografi, registratori, preamplificatori, sintonizzatori, amplificatori finali, equalizzatori, mixer ecc.

E' questo campo che, sotto la spinta di una concorrenza esasperata, si è sempre trovato in rapidissima evoluzione e che in tempi relativamente recenti ha subito una radicale trasformazione con l'introduzione massiccia dell'elettronica digitale.

Il progetto che seguono propongono la realizzazione di amplificatori audio di tipo  analogico.

Specifiche

o        Il sistema comprende un microfono un amplificatore audio e un altoparlante (altoparlante comune 4W di impedenza, di tipo dinamico).

o        L'amplificatore deve avere un preamplificatori per il collegamento di un microfono

o        L'amplificatore deve essere in grado di erogare all'altoparlante la potenza di una decina di watt.

o        L'amplificatore deve avere incorporato la regolazione del volume ed il controllo dei toni.

o        L'alimentazione deve essere derivata dalla rete elettrica di uso civile

Progettazione

In elettronica si parla di applicazioni audio quando un circuito viene progettato allo scopo di elaborare in qualsiasi modo un segnale caratteristico della banda di frequenze audio. Prima di tutto è opportuno specificare che col termine segnale si intende una qualsiasi tensione che varia nel tempo, riproducendo con le sue variazioni l'andamento di un certo fenomeno fisico.

Ad esempio: se cantiamo davanti a un microfono, nel microfono nasce una tensione variabile che seguendo fedelmente, istante dopo istante, la pressione determinata dalle onde sonore di chi canta; tale tensione è un segnale.
Se suoniamo una chitarra elettrica, i pick-up magnetici che si trovano sotto le corde raccolgono le vibrazioni di queste ultime e le trasformano in una tensione modulata che riproduce le stesse vibrazioni; anche questo è un segnale.
Esistono molti altri esempi di segnali in elettronica (segnali radio, radar, video, ecc.) ma adesso a noi interessa parlare solo di quelli che sono collegati al suono, ai rumori, alla musica ed insomma a tutto quello che possiamo percepire col nostro udito. L'orecchio umano può rilevare, quando è perfettamente sano, frequenze comprese nella gamma 20 ÷ 20000 hertz, per cui è in tale banda di frequenze che operano i circuiti audio.
Uno dei ciruiti elettronici audio più diffusi è l'amplificatore; come dice il nome, si tratta di un circuito il cui compito è quello di "amplificare", ovvero rendere più ampia, una tensione modulata, allo scopo di consentirne successive utilizzazioni. Pensiamo ad un concerto rock: chiunque vi abbia assistito, sarà senz'altro stato colpito dal suono assordante emesso da quelle colonne piene di altoparlanti.

La spaventosa potenza sonora prodotta dalle casse (si parla anche di migliaia di watt) non è altro che la riproduzione enormemente amplificata di vari segnali, originariamente di piccolissima ampiezza, raccolti da microfoni, chitarre, batterie, tastiere, ecc.; se si pensa che il segnale in uscita da una chitarra elettrica è dell'ordine di qualche mV (millivolt, cioè millesimi di volt), e che le tensioni che pilotano altoparlanti come quelli da stadio sono dell'ordine del centinaio di volt, si comprende perchè sia necessario ricorrere agli amplificatori audio per far arrivare alle migliaia di persone di un concerto la musica suonata sul palco.
L'impiego dell'elettronica nel campo musicale ed audio in genere è reso possibile da dispositivi chiamati trasduttori. Un trasduttore è qualcosa che trasforma un tipo di energia in un altro: per esempio, il microfono raccoglie le vibrazioni prodotte dalla voce, o meglio la pressione delle corrispondenti onde sonore, e le trasforma in una tensione elettrica; o, ancora, l'altoparlante, che, alimentato da un segnale elettrico di potenza adeguata, fa vibrare il suo cono, il quale trasmette le vibrazioni all'aria e produce energia che il nostro orecchio percepisce come suono.
L'elettronica, quindi, interviene tramite un "circuito amplificatore", elevando di migliaia di volte l'ampiezza di quella debolissima corrente prodotta dal microfono e portandola ad una potenza in grado di far muovere anche un grosso altoparlante del peso di decine di chili.
Un amplificatore è composto da vari stadi in cascata, che cioè si susseguono uno dopo l'altro; i primi stadi, detti di preamplificazione, hanno il compito di elevare la tensione

del segnale in ingresso, in genere da pochi millivolt ad alcuni volt; gli stadi finali devono invece produrre potenza, richiamando dall'alimentatore forti correnti che vengono inviate all'uscita, dove sono collegati gli altoparlanti.
Un preamplificatore non ha solo il compito di elevare la tensione del segnale in ingresso; spesso, infatti, tale segnale deve essere modificato nella sua composizione spettrale, perchè possa essere restituito fedelmente il suono originale. Ciò è particolarmente vero, ad esempio, quando si amplifica il segnale proveniente dalla testina magnetica di un giradischi (quando ancora si usavano i bei dischi in vinile...): per esigenze tecniche, quando il segnale musicale viene inciso sul disco master, da cui poi si ricaveranno le copie, le varie frequenze sonore non vengono registrate con la loro ampiezza reale; poiché alle frequenze basse corrispondono vibrazioni più ampie, al punto che un solco potrebbe andare a toccare quello vicino, questa banda viene attenuata, tanto di più quanto più le frequenze sono basse. Nel momento in cui il disco viene riprodotto, se si vuole che ciò che si sente sia fedele al pezzo originale, occorre mettere in atto il processo inverso: tale operazione è proprio compito del preamplificatore, che in tal caso agisce come un "equalizzatore".
L' equalizzazione di un segnale, cioè l'operazione di ripristinare il giusto livello delle varie frequenze che lo compongono, è un procedimento ben definito, che avviene in ogni caso rispettando i valori di quella che viene detta "curva di equalizzazione".

La curva di equalizzazione relativa alla testina magnetica che legge un disco in vinile è la curva RIAA, così come, per i segnali registrati su nastro magnetico, esiste la curva di equalizzazione NAB.
La correzione dell'ampiezza del segnale alle varie frequenze viene realizzata con apposite reti di resistenze e condensatori, poste in serie al segnale o sul circuito di contro-reazione, come si vede nel circuito di figura 3, dove il preamplificatore è realizzato con un circuito integrato LM381 della National. Il segnale proveniente dalla testina entra sull'ingresso non invertente (piedino 1); sull'ingresso invertente risulta invece collegata una rete (i cui componenti sono in colore rosso) che riporta indietro parte del segnale in uscita, realizzando una reazione negativa o "controreazione", che ha lo scopo di ridurre l'amplificazione di determinate frequenze, a vantaggio di quelle che in fase di registrazione sono state attenuate.
Sarebbe interessante trattare degli stadi di amplificazione a transistori, delle caratteristiche configurazioni in classe A, in classe B, ecc., ma non sarebbe molto utile, poiché la presenza in commercio di un'infinità di circuiti integrati belli e pronti, ed a prezzi irrisori, rende priva di senso la costruzione in proprio di un amplificatore utilizzando componenti discreti (e cioè singoli transistor, resistenze, condensatori, ecc.).
In figura 4 è possibile confrontare gli schemi di due amplificatori di prestazioni più o meno equivalenti: quello in alto è realizzato con sette transistor, oltre a varie resistenze e condensatori, mentre quello in basso è realizzato con un circuito integrato, i cui piedini sono indicati dai numeri posti vicino al simbolo centrale a triangolo; è evidente la notevole differenza di complessità fra i due schemi, senza considerare che il primo, oltre a richiedere più tempo per il montaggio, risulta alla fine anche più costoso anche in termini di prezzo dei vari componenti.
La costruzione in proprio con componenti sfusi può quindi essere giustificata solo in casi molto particolari, come ad esempio quando un audiofilo raffinato, dotato anche di notevoli capacità progettuali, voglia sperimentare qualche particolare soluzione circuitale o avvalersi di componenti selezionati che egli ritiene in grado di garantire prestazioni particolarmente valide; quanto, poi, queste presunte differenze, siano realmente percepibili durante il normale ascolto, è tutto da dimostrare.
Vi sono anche accaniti sostenitori degli amplificatori a valvole, il cui suono, dicono, è di una purezza

non raggiungibile con circuiti a semiconduttori. A parte le considerazioni nostalgiche, è mio parere che, chiacchierando amichevolmente tra appassionati, si può affermare qualunque cosa: qualcuno dirà "le valvole hanno un suono più caldo", altri diranno che il suono delle valvole è "cristallino". Resta il fatto che le caratteristiche di un amplificatore si dovrebbero valutare in base a parametri dal significato indiscutibile, quali la distorsione armonica, la risposta ai transienti, la banda passante, il rumore di fondo, ecc.; le altre considerazioni sono solo valutazioni emozionali, affidate alla sensibilità ed alle convinzioni personali.

Preamplificatore per microfono

Specifiche

L'ampiezza dei segnali generati da un microfono è compresa fra i millivolt e 10 20 mV, a seconda del tipo di microfono.

Per ottenere un segnale di uscita richiesto dalle specifiche occorre che l'intero amplificatore presenti un amplificazione di tensione massima di 40 dB circa 100.

Esistono sul mercato amplificatori audio integrati specifici per ciascuna applicazione, tutti però hanno un ingresso differenziale ad alta impedenza e sono progettati in modo da minimizzare il rumore pertanto è stato scelto il comune  TL 082.

Esso contiene due amplificatori operazionali general pourpose, aventi l'ingresso a jfet per rendere minima la corrente di ingresso.

Soluzione circuitale e formule di progetto

Stadio di ingresso

La configurazione dell'ingresso adatto a microfoni di diverso tipo è quella esaminata in figura:

Il valore della resistenza su cui chiude il microfono è dell'ordine delle decine di KW. nel nostro caso, dovendosi adattare anche a microfoni piezoelettrici, che presentano un elevata impedenza d'ingresso si è scelto il valore di 100KW.

Stadio amplificatore

Attraverso il condensatore di accoppiamento C2 il segnale del microfono giunge allo stadio amplificatore non invertente. La polarizzazione di ingresso è ottenuta tramite il partitore R2=R3=10kΩ; la tensione di partizione è stabilizzata dal condensatore C3. L'amplificazione dello stadio vale:

Scegliendo R4= 100 KW e R3=1kW, si ottiene AV  circa uguale a 100,come desiderato. La capacità C4 , che vede ai suoi capi la resistenza equivalente più bassa, è quella che determina la frequenza di taglio inferiore fL dello stadio. Scelta fL= 20 Hz, si ricava:

 7,96 mF

Abbiamo scelto C2= 10 mF.

Per il dimensionamento di C2 possiamo far si che il suo effetto risulti trascurabile nell' intorno nella frequenza di taglio imponendo f'L= 0,1 fL. Poiché la resistenza vista ai suoi capi è almeno uguale a R4, si può scrivere:

 0,8 mF

Abbiamo scelto C2 = 1mF.

Il condensatore ceramico C5 ai capi della resistenza di reazione R7, restringendo la banda passante, impedisce l'innesco di oscillazioni. Il valore di 82 pF consente di fissare la frequenza di taglio superiore a circa 20 kHz; infatti:

19,4 kHZ

Il segnale amplificato di 100 volte viene avviato tramite il condensatore di accoppiamento C8 al potenziometro R20, che funge da controllo del volume. Quest' ultimo deve essere di tipo logaritmico, per adeguare la risposta dell' amplificatore alla sensibilità dell'orecchio umano. Valori di 10-100 kΩ sono normali.

Accoppiamento con il Controllo dei toni

Attraverso il condensatore di accoppiamento C9 il segnale viene inviato al circuito di controllo dei toni. I valori dei componenti sono quelli standard. Per il dimensionamento di C9 si può imporre che il suo intervento avvenga a frequenza molto più basse di fL.

 10 mF

 Abbiamo scelto C9= 10mF;

Alimentazione

La tensione di alimentazione deve essere sufficientemente elevata da non provocare la distorsione del segnale amplificato e nel contempo non deve superare il massimo valore accettato dall' operazionale e dal microfono preamplificato. Valori dai 10 ai 20 V sono accettabili; noi abbiamo scelto Vcc= 15 V. La tensione di alimentazione viene ulteriormente filtrata da C4 e C5. Il condensatore di by-pass C4 deve essere inserito nelle immediate vicinanze del pin 8 di alimentazione dell' integrato.

Circuito preamplificatore finale

Controllo dei toni

Specifiche

Il controllo toni consente di agire sui segnali a bassa e ad alta frequenza, esaltandoli o attenuandoli. E' naturalmente possibile esaltare o attenuare in misura diversa sia i toni bassi, sia quelli alti indipendentemente.

Si ricorre allo schema di figura come schema base:

-Basse frequenze

I condensatori C9, di valore basso rispetto a C7, possono essere considerati circuiti aperti; la parte inferiore della rete è cosi esclusa come in figura 6. Alle frequenze più basse anche C7 è un cortocircuito aperto sicché l'amplificazione vale:

  (20,8dB)

Man mano che la frequenza cresce, l'impedenza di C1 diminuisce diventando confrontabile con R2. In corrispondenza della frequenza:

48 Hz

si ha il polo della funzione di trasferimento. All'aumentare della frequenza l'impedenza di C7 diventa sempre più piccola finchè cortocircuita il potenziometro.

L'amplificatore assume allora il valore:

  (0 dB)

Il diagramma di bode della funzione di trasferimento presenta l'andamento illustrato in figura 7,si nota lo zero in corrispondenza della frequenza:

-Alte frequenze



Aumentando la frequenza interviene anche la parte inferiore della rete. In riferimento alla figura 8 è riportato lo schema equivalente quando i condensatori C1 possono essere considerati cortocircuiti e il cursore del potenziometro inferiore è spostato tutto a sinistra. Trasformata la configurazione a stella in triangolo e tenendo presente che R9 = R6, si può ottenere lo schema di fig. 9. Se l'impedenza della sorgente è trascurabile, la resistenza superiore del triangolo è ininfluente ai fini dell'amplificazione. Alle frequenze più basse i condensatori possono essere considerati circuiti aperti sicché l'amplificazione vale :

Alle frequenze più alte le capacità divengano cortocircuiti sicché  3R6 e R10  sono in parallelo e l'amplificazione vale:

     (20 dB)

Trascurando in prima approssimazione l'effetto del ramo costituito dal secondo potenziometro in basso, si ha:

  kHz      

Il polo a sua volta è situato in corrispondenza della frequenza:

 kHz

Diagramma di bode del controllo alti:

Circuito finale per il controllo toni

Finale di potenza con TDA 2030

Specifiche

L'impiego di questo amplificatore è principalmente da laboratorio, per test e misure, e come modulo finale da collegare a dispositivi audio di vario genere. Per questo tipo di amplificazioni una potenza modesta come quella richiesta dalle specifiche appare più che sufficiente.

Il mercato dei circuiti integrati lineari offre una vasta gamma di amplificatori audio di potenza; le case costruttrici presentano linee di prodotti differenziati per potenza erogata e tipo di applicazione(singola, a ponte, mono o stereo)

Questi amplificatori integrati lavorano in classe B(o meglio AB), con due transistori finali che funzionano un push-pull. La potenza erogata va dal watt alle decine di watt. L'ingresso è di tipo differenziale con un terminale invertente e uno non invertente. L'alimentazione può essere singola e duale.

Questi amplificatori che pilotano trasduttori come gli altoparlanti, sovente posti a una certa distanza da essi e collegati mediante fili volanti, sono normalmente provvisti di limitatore di corrente, per evitare danneggiamenti provocati da cortocircuiti accidentali del carico. Inoltre includono spesso un dispositivo di shut-down, per proteggere il chip da surriscaldamento.

IL TDA2030

Fra i diversi amplificatori integrati presenti sul mercato abbiamo scelto il tda2030 della SGS thompson, amplificatore audio piuttosto diffuso per applicazioni di media potenza. Le caratteristiche di questo amplificatore sono sovradimensionate per le esigenze del progetto, tuttavia abbiamo pensato di impiegarlo per studiarne a fondo le  funzionalità.

Il costruttore dichiara nella presentazione che l'amplificatore è in grado di erogare fino a 18W di potenza; dalle caratteristiche elettriche si vede tuttavia che tale potenza massima è erogabile solo su un carico di 4ohm; essa scenda a 12W per carichi di 8ohm.

L'escursione picco-picco del segnale di uscita si avvicina alla tensione di alimentazione a meno delle cadute di tensione interne allo stadio finale. Per carichi RL di 8 ohm, assumendo una caduta interna di 2V, si ha che l'ampiezza massima del segnale di uscita vale:

VLM(max)=(VS/2)-2V

Amplificatore:

Il segnale di ingresso, prelevato tramite il potenziometro logaritmico che funge da regolatore di volume, giunge attraverso il condensatore di accoppiamento all'ingresso non invertente dell'integrato TDA2030. questo ingresso, dal momento che l'amplificatore lavora con alimentazione singola, è polarizzato a VS/2 tramite il partitore R2R3 e il condensatore stabilizzatore C2. In questo modo a riposo, ovvero senza segnale, anche le tensioni sull'ingresso invertente e sull'uscita si stabilizzano a VS/2.

La resistenza R4, di valore uguale a R6, consente di minimizzare l'effetto dell'offset. Il ramo di reazione per il segnale è costituito dalle resistenze R6 e R5, sicché l'amplificazione di tensione dello stadio vale:

Il condensatore C3 fissa la frequenza di taglio inferiore fL al valore:

I due diodi clampD1 e D2 proteggono l'uscita da possibili sovratensioni positive e negative che possono nascere a causa della componente induttiva del carico. Il gruppo R7C6 impedisce a sua volta l'innesco, all'interno del circuito integrato, di oscillazioni che possono insorgere nella gamma di frequenze 2÷5 MHz recando disturbo ai radioricevitori posti nelle vicinanze.

Il condensatore C7 infine consente l'escursione del segnale di uscita intorno al livello VS/2. La tensione di alimentazione al solito è filtrata dal condensatore elettrolitico C4 e dal condensatore ceramico C5, posti nelle immediate vicinanze del terminale di alimentazione(pin5).

Alimentazione:

Per ottenere una potenza massima PL(max)=10W, l'ampiezza del segnale VLM sul carico RL di 4Ω deve valere:

La tensione di alimentazione viene a valere:

Pertanto viene scelto il valore di tensione pari a +15 e -15.

Dissipatore:

Anche se l'integrato è provvisto di limitatore della corrente, che provvede a mantenere il suo punto di funzionamento all'interno dell'area di sicurezza (SOA), e di protezione termica, per potenze di qualche watt è necessario prevedere un apposito dissipatore termico.

La resistenza termica giunzione-contenitore vale Өjc=3°C/W e la massima temperatura ammessa per la giunzione è Tj(max) =145°C. Per un amplificatore in classe B la massima potenza dissipata su ognuno dei due transistori finali è pari all'incirca al 20% della massima potenza erogabile.

I DISSIPATORI

Un dissipatore è una massa metallica destinata a smaltire il calore generato da un semiconduttore. Per favorire la massima dispersione di calore i dissipatori

  • sono forniti di alettature che ne aumentano la superficie
  • sono in genere costituiti da alluminio, caratterizzato da buona conducibilità termica e dal peso contenuto. La scelta del rame ha il vantaggio di migliorare la conducibilità ma, a parità di Rth, di aumentare notevolmente il peso
  • sono color nero (anodizzati) per favorire la dispersione per irraggiamento

Il parametro principale è la Rth ed in genere è anche l'unico noto. La resistenza termica è corretta solo se il dissipatore è montato come prescritto dal produttore in quanto, soprattutto quelli per potenze più elevate, sfruttano le correnti d'aria causate dal riscaldamento per migliorare il trasferimento termico.

In genere la Rth è inversamente proporzionale al peso, al volume e, soprattutto, alla superficie delle alette ed al disegno delle stesse; è ovviamente necessario consultare i cataloghi, almeno per trovare un modello simile a quello che si intende usare. Valori normali di resistenza termica sono compresi tra gli 0.5°C/W e la decina di °C/W.

dissip6.jpg - Fotografia di tre dissipatori

Circuito finale di potenza

Elenco componenti utilizzati

Nr

Nome

Valore

Descrizione

1

C1

Condensatore elettrolitico 50V

2

C2

10μ

Condensatore elettrolitico 50V

3

C3

82p

Condensatore ceramico

4

C4

100n

Condensatore ceramico

5

C5

100n

Condensatore ceramico

6

C6

10μ

Condensatore elettrolitico 50V

7

C7

33n

Condensatore plastico

8

C8

33n

Condensatore plastico

9

C9

3n3

Condensatore plastico

10

C10

3n3

Condensatore plastico

11

C11




Condensatore elettrolitico 50V

12

C12

2,2μ

Condensatore elettrolitico 50V

13

C13

220μ

Condensatore elettrolitico 50V

14

C14

100n

Condensatore ceramico

15

C15

220μ

Condensatore elettrolitico 50V

16

C16

100n

Condensatore ceramico

17

C17

220n

Condensatore elettrolitico 50V

18

D1

1N4001

Diodo

19

D2

1N4001

Diodo

20

IC1

TL082CFP

Amplificatore operazionale

21

IC2

TDA2030A

Amplificatore audio

22

R1

100KΩ  

Resistenza 1/4W

23

R2

100KΩ  

Resistenza 1/4W

24

R3

1KΩ

Resistenza 1/4W

25

R4

100KΩ

Resistenza 1/4W

26

R5

TRIMMER-100KΩ

Trimmer

27

R6

10KΩ

Resistenza 1/4W

28

R7

10LH-100KΩ A

Potenziometro lineare

29

R8

10KΩ

Resistenza 1/4W

30

R9

10KΩ

Resistenza 1/4W

31

R10

3,3KΩ

Resistenza 1/4W

32

R11

10LH-100KΩ A

Potenziometro lineare

33

R12

10LH-100KΩ B

Potenziometro logaritmico

34

R13

100KΩ

Resistenza 1/4W

35

R14

4,7KΩ

Resistenza 1/4W

36

R15

100KΩ

Resistenza 1/4W

37

R16

Resistenza 1W

Circuito lato componenti

Circuito lato rame

Sintesi pratica

Inizialmente si è partiti analizzando ogni singola parte del circuito per capirne il suo comportamento, dal preamplificatore al controllo dei toni ed infine al vero è proprio amplificatore cioè il finale di potenza.

Il loro studio è stato svolto mediante l'uso del libro adottato nel quarto anno d'indirizzo I.T.I.S.

La seconda fase riguarda la stesura del circuito mediante un cad nel nostro caso Target 3001 che ci ha permesso poi lo sviluppo del pcb. Una volta realizzato lo schematico,come viene chiamato, si passa alla dislocazione dei componenti nell'area pcb, naturalmente il cad dispone in maniera disordinata i componenti e sta a noi dislocarli al meglio nell'area prestabilita in fase di progettazione (basetta ramata). Una volta dislocati il cad ha una funzione particolare cioè di dare un suggerimento alle possibili piste di collegamento tra i componenti, sta a noi decidere la  dimensione delle piste e dei pads ossia le piazzole dove verranno saldati i componenti.



Dopo alcune prove viene stampato la prima bozza del pcb su carta bianca per verificare il package di ogni componente cioè la dimensione della larghezza dei pin ed il loro ingombro. Se tutto coincide con i veri componenti presi in laboratorio si passa alla fase successiva cioè alla procedura per realizzare lo stampato. Si stampa il circuito su un foglio di carta lucida e si passa al processo fotolitografico.

PROCESSO FOTOLITOGRAFICO

I circuiti integrati vengono realizzati, sia nelle loro componenti attive, sia in quelle passive, mediante la formazione di piste e contatti metallici all'interno di aree opportunamente definite.

Gli stessi processi di definizione vengono inoltre impiegati per delimitare le regioni drogate e quindi ad alta conducibilità, rispetto al substrato circostante, che deve presentare un'alta resistività, in modo da assicurare un buon isolamento tra i diversi componenti.

Per realizzare tale definizione si ricorre all'impiego di sostanze (fotoresist) che hanno la proprietà di modificare il loro comportamento chimico se esposte alla luce; in particolare, nel caso di resist positivi l'esposizione a lunghezze d'onda adatte rende la resina solubile in soluzioni basiche, mentre nel caso di resist negativi lo stesso processo riduce la solubilità. In tal modo, utilizzando opportune maschere in cui sono presenti zone trasparenti e zone opache, è possibile, mediante la proiezione di luce.

Il foglio trasparente dove è stato stampato il circuito viene posizionato su una piastra sensibilizzata con del fotoresist di colore verdastro essa è sensibile alla luce infatti il tutto viene inserito in un apposito contenitore dove sarà inondato dai raggi ultravioletti. Dopo circa qualche minuto il fotoresist a contatto con la luce polimerizza e attraverso un bagno nella soda caustica verrà eliminato. In questo modo sulla basetta di rame rimarrà solo il fotoresist che era sotto la protezione della stampa nonché le piste vere e proprie. A questo punto si passa al bagno nel cloruro di sodio (un sale) in un apposito contenitore riscaldato che ne faciliterò la reazione chimica, che corroderà il rame che non è protetto dal fotoresist infine una volta finito il processo (circa venti minuti) dopo una pulitura con una paglietta metallica per eliminare il fotoresist sopra le piste la basetta di rame sarà terminata. Si passa alla fase di foratura inserimento dei componenti ed alla loro saldatura.

Cenni teorici

I resistori

sono componenti elettrici che consentono di concentrare un elemento circuitale di dimensione ridotta valori prefissati di resistenza. La gamma di valori disponibili in commercio va dalle frazioni di W ai MW e più.

Le forme e le dimensioni sono molto varie anche se nella maggior parte dei casi si possono ricondurre ad una struttura cilindrica o parallelepipeda. In generale un resistore comprende un supporto isolante che conferisce rigidità al componente e sostiene l'elemento resistivo costituito da un filo o da un film conduttore. Quest'ultimo elettricamente collegato alle due estremità a due terminali o reofori,  fornisce il valore della resistenza desiderato: il tutto incapsulato in un contenitore plastico, cilindrico o parallelepipedo, che reca l' indicazione del valore resistivo del componente. Di solito negli schemi circuitali i resistori vengono sempre contraddistinti con la lettera maiuscola R seguita dal numero d'ordine.

I potenziometri

Altri tipi di resistori sono i POTENZIOMETRI i quali sono costituiti da un elemento resistivo provvisti di due terminali, sul qual è in grado di strisciare il contatto mobile, il cursore, collegato ad un terminale intermedio. Il cursore suddivide pertanto la resistenza posta tra i terminali estremi in due resistenze, il cui valore dipende dalla posizione del cursore stesso; generalmente l'elemento resistivo presenta forma circolare ed il cursore viene spostato mediante un alberino girevole.

Questo componente può essere impiegato nella cosiddetta inserzione potenziometrica oppure come resistore variabile o reostato; esistono vari tipi di potenziometri logaritmi, lineari, ecc.: i più comuni sono quelli lineari, mentre i logaritmi vengono usati in particolare nella regolazione del volume negli apparecchi audio.

I condensatori

Altro componente usato è il condensatore che è costituito da due superfici conduttrici, le armature, fra le quali è interposto uno strato isolante il dielettrico.

La grandezza che caratterizza i condensatori è la capacità, espressa in F, ed in commercio si trovano condensatori di forme e dimensioni molto varie con dei valori di capacità che oscillano dai pF fino ad arrivare ai F . A differenza del resistore, il condensatore è in grado di accumulare e erogare energia. Il suo comportamento è fortemente dipendente dalla frequenza cui lavora, ed, infatti, è insostituibile nei filtri, nei circuiti risonanti, come by-pass e di accoppiamento fra circuiti. I tipi di condensatori usati nel progetto sono quelli  plastici, ceramici e elettrolitici.

Amplificatore Operazionale : TL082

                                                                                                              

- Schema circuitale e piedinatura     dell'amplificatore TL082.

Amplificatore di potenza TDA 2030

Microfoni e altoparlanti

                       

Il suono è una sensazione uditiva provocata dal susseguirsi in forma ondulatoria di compressioni e rarefazioni del mezzo elastico, in genere l'aria. Le onde sono originate da una perturbazione che, verificatosi in un punto, si trasmette ad altri punti in modo prevedibile e legato alle caratteristiche fisiche del mezzo stesso. Un  suono si divide da un altro per altezza,intensità e timbro. Queste caratteristiche dipendono rispettivamente dalla frequenza, dall'ampiezza(o pressione sonora) e dalla forma dell'onda sonora.

I microfoni sono trasduttori elettroacustici che realizzano la conversione                                        dell'energia acustica in energia elettrica. I parametri caratterizzanti dei microfoni sono:

Sensibilità: Per sensibilità di un microfono si intende, a una certa frequenza(in genere 1 KHz), il rapporto fra la tensione a circuito aperto generata dal microfono e la pressione sonora che lo genera. La sensibilità viene generalmente espressa in Mv/Pa.

Risposta in frequenza: In genere viene fornita dal costruttore la curva di risposta, che fornisce la sensibilità del microfono al variare della frequenza.

Distorsione di non linearità: I microfoni sono essenzialmente sistemi vibranti. Quando gli spostamenti sono elevati, la relazione fra questi e le pressioni sonore non è più lineare; ciò introduce distorsioni di non linearità per cui il segnale elettrico di uscita non è proporzionale alla pressione sonora incidente.

Rumore di fondo: Il rumore di fondo indica la tensione che si rileva a circuito aperto ai capi di esso, in un certo intervallo di frequenza, quando la pressione sonora incidente è nulla.

                   Gamma dinamica: E' definita come l'intervallo di valori di intensità sonora nel quale l'uscita elettrica risulta proporzionale alla pressione.

Impedenza: E' definita come il rapporto tra la tensione alternata applicata ai terminali del microfono e la corrente assorbita.

Microfoni: Per la scelta della configurazione di ingresso nell'apparecchiatura occorre tenere presente che alcuni tipi di microfono necessitano di alimentazione.

I microfoni sono suddivisi sostanzialmente in 5 differenti categorie, ognuna in base alle caratteristiche del microfono stesso. Tipi di microfoni sono:

                    

                    

- Microfono dinamico;

                     - Microfono elettrostatico;

                     - Microfono a nastro;

                     - Microfono piezoelettrico;

                     - Microfono a carbone;

Microfono dinamico:   il microfono dinamico utilizza il fenomeno dell'induzione elettromagnetica: un elemento metallico viene posto all'interno di un campo magnetico. Il movimento di questo elemento metallico (detto generalmente diaframma) all'interno del campo genera una corrente elettrica con determinate caratteristiche.                         

Microfono elettrostatico o a condensatore: Il microfono a condensatore, invece, è basato su un principio elettrostatico:    all'interno del microfono viene disposto un condensatore, costituito di due sottili lamine dette armature. Una delle due armature è mobile, in modo da essere sensibile alla pressione sonora. Mediante l'utilizzo di un alimentatore (è questa la caratteristica che differenzia caratteristicamente il microfono a condensatore da quello dinamico) il condensatore viene polarizzato, in modo che la carica che si viene a costituire all'interno del condensatore a secondo della posizione del'armatura mobile fornisca una tensione ai capi del condensatore, la quale, opportunamente amplificata, diventa il segnale in uscita del microfono.

Microfono a nastro: In questi microfoni una sottile e leggera striscia metallica (nastro), sensibile alle onde sonore, è sospeso fra le espansioni polari di un magnete permanente. Al vibrare di questa lamina, si genera, per induzione, ai suoi estremi, una corrente elettrica di intensità proporzionale alla pressione sonora.

I microfoni a nastro hanno un'ottima qualità, ma a causa della complessità della costruzione sono molto costosi e sono inoltre estremamente fragili. È impensabile il loro uso durante uno spettacolo dal vivo, ed anche in studio occorre trattarli con estrema delicatezza.

Microfono piezoelettrico:  Un altro tipo di microfono molto diffuso, il microfono piezoelettrico o a cristallo, sfrutta l'effetto piezoelettrico che si manifesta in alcuni cristalli quando vengono sottoposti a sollecitazioni meccaniche (quali variazioni di pressione). Quando le onde sonore mettono in vibrazione la membrana del microfono, quest'ultima fa variare la pressione esercitata su una lamina di cristallo piezoelettrico, generando tra le due facce del cristallo una leggera differenza di potenziale.

Microfono a carbone:   Il microfono a carbone, impiegato principalmente negli apparecchi telefonici, consiste di una capsula metallica riempita di granuli di carbone, attraversata da corrente elettrica. Le onde sonore provocano le vibrazioni di una membrana posta all'estremità aperta della capsula, a contatto con i granuli di carbone; tali vibrazioni producono variazioni della pressione esercitata sui granuli, da cui dipende la resistenza elettrica di questi ultimi, e quindi l'intensità della corrente circolante nel circuito.

Collaudo

Dal preamplificatore al controllo toni ed il finale:

Fornita l'alimentazione, la prima prova da effettuare consiste nella verifica dei livelli di tensione sugli ingressi e sulle uscite degli operazionali circa metà Vcc.

Successivamente si invia all'ingresso un segnale sinusoidale di 1 KHz e si verifica con l'oscilloscopio che,dopo le successiva amplificazioni, non venga introdotta distorsione apprezzabile.

Si può passare quindi alla misura dei parametri fondamentali dei preamplificatori: l'assorbimento di corrente dall'alimentazione (ordine di milliampere), l'amplificazione complessiva (100), la banda passante, la distorsione l'ampiezza massima del segnale di ingresso.

Si passa successivamente all'inserimento del controllo dei toni per verificarne il suo funzionamento.

Si posizione la sonda dell'oscilloscopio sull'uscita del controllo toni ed in ingresso si varia la frequenza ed agendo sui due potenziometri si controlla l'attenuazione del segnale di uscita.ee

Infine si collega il finale grazie all'apposito jumper.

Sul finale si verifica se sull'uscita dell'amplificatore si stabiliscano i valori di tensione corretti pari a metà Vcc . Successivamente si invia il segnale che arriva dagli stadi precedenti nel caso di prova un segnale sinusoidale di 1 KHz. Dopo aver chiuso l'uscita su un carico di 4 W  si verifica la forma d'onda d'uscita. L'onda non deve essere distorta, se distorta si regola sul trimmer del preamplificatore il livello di segnale di ingresso, si determina cosi' il massimo valore del segnale di ingresso che non provoca evidente distorsione nel segnale di uscita. Se tutto è nella norma si leva il carico resistivo e si inserisce un altoparlante della stessa impedenza, si verifica poi il segnale diventato suono collegando in ingresso non più un segnale di 1KHz ma un segnale generatola un comune microfono piezoelettrico.

Conclusioni

La realizzazione dell'amplificatore è stata svolta con passione e nei minimi particolari. Il lavoro è stato diviso in base al numero di persone componenti il gruppo, schematico pcb e circuito finale sono stati svolti pressoché velocemente data l'esperienza con l'uso di target e la realizzazione di circuito su basetta di rame. Il circuito però in fase di test, o meglio di collaudo, non è stato all'altezza dei nostri obiettivi. Il circuito è stato verificato ma era presente un continuo cortocircuito oscillante quando era presente un carico come un altoparlante, le verifiche sono state effettuate nei tre stadi sono stati sostituiti anche circuiti integrati ma data la poca disponibilità di tempo non hanno permesso una valutazione più precisa del problema.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

                                                               

                   







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