Amplificador de mesa com visualização de áudio, relógio binário e receptor FM: 8 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Gosto de amplificadores e hoje vou compartilhar meu amplificador de mesa de baixa potência que fiz recentemente. O amplificador que projetei tem alguns recursos interessantes. Ele tem um relógio binário integrado e pode fornecer data e hora e pode visualizar o áudio, muitas vezes chamado de analisador de espectro de áudio. Você pode usá-lo como receptor FM ou MP3 player. Se você gosta do meu amplificador de relógio, siga as etapas abaixo para fazer sua própria cópia.

Etapa 1: Boas dicas de design de amplificador

Projetar um circuito de áudio de boa qualidade sem ruídos é realmente difícil, mesmo para um designer experiente. Portanto, você deve seguir algumas dicas para tornar seu design ainda melhor.

Poder

Os amplificadores de alto-falantes normalmente são alimentados diretamente da tensão do sistema principal e requerem uma corrente relativamente alta. A resistência no traço resultará em quedas de tensão que reduzem a tensão de alimentação do amplificador e desperdiçam energia no sistema. O traço de resistência também faz com que as flutuações normais na corrente de alimentação se convertam em flutuações na tensão. Para maximizar o desempenho, use traços largos curtos para todas as fontes de alimentação do amplificador.

Aterramento

O aterramento desempenha o papel único e mais significativo em determinar se o potencial do dispositivo é alcançado pelo sistema. Um sistema mal aterrado provavelmente terá alta distorção, ruído, diafonia e suscetibilidade de RF. Embora seja possível questionar quanto tempo deve ser dedicado ao aterramento do sistema, um esquema de aterramento cuidadosamente projetado evita que um grande número de problemas jamais ocorram.

O aterramento em qualquer sistema deve servir a dois propósitos. Primeiro, é o caminho de retorno para todas as correntes que fluem para um dispositivo. Em segundo lugar, é a tensão de referência para circuitos digitais e analógicos. O aterramento seria um exercício simples se a tensão em todos os pontos do aterramento pudesse ser a mesma. Na realidade, isso não é possível. Todos os fios e traços possuem resistência finita. Isso significa que sempre que houver corrente fluindo pelo solo, haverá uma queda de tensão correspondente. Qualquer laço de fio também forma um indutor. Isso significa que sempre que a corrente flui da bateria para uma carga e de volta para a bateria, o caminho da corrente tem alguma indutância. A indutância aumenta a impedância de aterramento em altas frequências.

Embora projetar o melhor sistema de aterramento para uma aplicação específica não seja uma tarefa simples, algumas diretrizes gerais se aplicam a todos os sistemas.

1. Estabeleça um plano de terra contínuo para circuitos digitais: A corrente digital no plano de terra tende a seguir a mesma rota que o sinal original tomou. Este caminho cria a menor área de loop para a corrente, minimizando assim os efeitos da antena e a indutância. A melhor maneira de garantir que todos os traços de sinal digital tenham um caminho de aterramento correspondente é estabelecer um plano de aterramento contínuo na camada imediatamente adjacente à camada de sinal. Esta camada deve cobrir a mesma área que o traço do sinal digital e ter o menor número possível de interrupções em sua continuidade. Todas as interrupções no plano de aterramento, incluindo as vias, fazem com que a corrente de aterramento flua em um loop maior do que o ideal, aumentando assim a radiação e o ruído.
2. Mantenha as correntes de aterramento separadas: As correntes de aterramento para circuitos digitais e analógicos devem ser separadas para evitar que correntes digitais adicionem ruído aos circuitos analógicos. A melhor maneira de fazer isso é por meio do posicionamento correto dos componentes. Se todos os circuitos analógicos e digitais forem colocados em partes separadas do PCB, as correntes de terra serão naturalmente isoladas. Para que isso funcione bem, a seção analógica deve conter apenas circuitos analógicos em todas as camadas do PCB.
3. Use a técnica de aterramento em estrela para circuitos analógicos: Os amplificadores de potência de áudio tendem a atrair correntes relativamente grandes que podem afetar adversamente suas próprias e outras referências de aterramento no sistema. Para evitar esse problema, forneça caminhos de retorno dedicados para aterramentos de potência do amplificador em ponte e retornos de aterramento do conector de fone de ouvido. O isolamento permite que essas correntes fluam de volta para a bateria sem afetar a tensão de outras partes do plano de aterramento. Lembre-se de que esses caminhos de retorno dedicados não devem ser roteados em rastreamentos de sinal digital, pois eles podem bloquear as correntes de retorno digital.
4. Maximize a eficácia dos capacitores de bypass: Quase todos os dispositivos requerem capacitores de bypass para fornecer corrente instantânea. Para minimizar a indutância entre o capacitor e o pino de alimentação do dispositivo, localize esses capacitores o mais próximo possível do pino de alimentação que eles estão ignorando. Qualquer indutância reduz a eficácia do capacitor de bypass. Da mesma forma, o capacitor deve ter uma conexão de baixa impedância ao terra para minimizar a impedância de alta frequência do capacitor. Conecte diretamente o lado do aterramento do capacitor ao plano de aterramento, em vez de direcioná-lo por meio de um rastreamento.
5. Inundar toda a área de PCB não utilizada com aterramento: Sempre que duas peças de cobre passam próximas uma da outra, um pequeno acoplamento capacitivo é formado entre elas. Ao executar a inundação do solo perto dos traços de sinal, a energia indesejada de alta frequência nas linhas de sinal pode ser desviada para o solo por meio do acoplamento capacitivo.

Tente manter fontes de alimentação, transformadores e circuitos digitais barulhentos longe de seus circuitos de áudio. Use uma conexão de aterramento separada para circuito de áudio e é bom não usar planos de aterramento para circuitos de áudio. A conexão de aterramento (GND) do amplificador de áudio é muito importante em comparação com o aterramento de outros transistores, IC, etc., se houver ruído de aterramento entre os dois, o amplificador fará a saída.

Considere alimentar ICs importantes e qualquer coisa sensível usando um resistor 100R entre eles e + V. Incluir um capacitor elétrico de tamanho decente (por exemplo, 220uF) no lado do IC do resistor. Se o IC extrair muita energia, certifique-se de que o resistor pode lidar com isso (selecione uma potência alta o suficiente e forneça dissipação de calor de cobre PCB, se necessário) e tenha em mente que haverá queda de tensão no resistor.

Para projetos baseados em transformadores, você deseja que os capacitores do retificador fiquem o mais próximo possível dos pinos do retificador e conectados por meio de suas próprias trilhas grossas devido às grandes correntes de carga no ponto mais alto da onda sin retificada. Como a voltagem de saída do retificador excede a voltagem decadente do capacitor, o ruído de impulso é produzido no circuito de carga, que pode ser transferido para o circuito de áudio se eles compartilharem o mesmo pedaço de cobre em qualquer uma das linhas de força. Você não pode se livrar da corrente de carga do pulso, então é muito melhor manter o capacitor local para a ponte retificadora para minimizar esses pulsos de alta corrente de energia. Se um amplificador de áudio estiver perto do retificador, não coloque um capacitor grande próximo ao amplificador para evitar que esse capacitor cause o problema, mas se houver um pouco de distância, então não há problema em dar ao amplificador seu próprio capacitor, pois ele flutua carregada da fonte de alimentação e acaba tendo uma impedância relativamente alta devido ao comprimento do cobre.

Localize e os reguladores de tensão que são usados pelos circuitos de áudio próximos aos retificadores / entrada de PSU e conecte-os também com suas próprias conexões.

Sinais

Sempre que possível, evite sinais de entrada e saída de áudio de e para ICs funcionando em paralelo no PCB, pois isso pode causar oscilações que retornam da saída para a entrada. Lembre-se de que apenas 5mV podem causar muito zumbido!

Mantenha os planos de aterramento digitais longe do GND de áudio e circuitos de áudio em geral. O zumbido pode ser introduzido no áudio simplesmente a partir de faixas muito próximas de planos digitais.

Ao fazer a interface com outro equipamento, se ligar alguma outra placa que inclua circuitos de áudio (vai dar ou receber um sinal de áudio), certifique-se de que haja apenas 1 ponto no qual o GND se conecta entre as 2 placas e este deve ser idealmente na conexão do sinal analógico de áudio apontar.

Para conexões de sinal IO com outros dispositivos / o mundo externo, é um bom ideal usar um resistor 100R entre os circuitos GND e o GND externo para tudo (incluindo as partes digitais do circuito) para impedir a criação de loops de aterramento.

Capacitores

Use-os sempre que quiser isolar as seções umas das outras. Valores a serem usados: - 220nF é típico, 100nF é bom se você deseja reduzir o tamanho / custo, melhor não ir abaixo de 100nF.

Não use capacitores de cerâmica. A razão é que os capacitores de cerâmica darão um efeito piezoelétrico a um sinal CA que causa ruído. Use um poli (polipropileno) de algum tipo - polipropileno é o melhor, mas qualquer um serve. As cabeças de áudio verdadeiras também dizem para não usar eletrolíticos em linha, mas muitos projetistas fazem isso sem problemas - isso é provável para aplicações de alta pureza, não para projetos de áudio padrão gerais.

Não use capacitores de tântalo em qualquer lugar dentro dos caminhos do sinal de áudio (alguns designers podem discordar, mas podem causar problemas horríveis)

Um substituto geralmente aceito para o policarbonato é o PPS (Polifenileno Sulfeto).

Filme de policarbonato de alta qualidade e filme de poliestireno e capacitores de teflon e capacitores de cerâmica NPO / COG têm coeficientes de tensão de capacitância muito baixos e, portanto, distorção muito baixa e os resultados são muito claros usando analisadores de espectro e também ouvidos.

Evite os dielétricos cerâmicos de alto K, eles têm um coeficiente de alta tensão que eu acho que poderia levar a alguma distorção se fossem usados em um estágio de controle de tom.

Posicionamento de componente

A primeira etapa de qualquer projeto de PCB é escolher onde colocar os componentes. Essa tarefa é chamada de "planejamento de piso". O posicionamento cuidadoso do componente pode facilitar o roteamento do sinal e o particionamento do solo. Ele minimiza a captação de ruído e a área necessária da placa.

O posicionamento do componente dentro da seção analógica deve ser selecionado. Os componentes devem ser colocados para minimizar a distância que os sinais de áudio percorrem. Posicione o amplificador de áudio o mais próximo possível do conector de fone de ouvido e do alto-falante. Este posicionamento irá minimizar a radiação EMI de amplificadores de alto-falante Classe D e minimizar a suscetibilidade a ruído de sinais de fone de ouvido de baixa amplitude. Coloque os dispositivos que fornecem áudio analógico o mais próximo possível do amplificador para minimizar a captação de ruído nas entradas do amplificador. Todos os traços de sinal de entrada atuarão como antenas para sinais de RF, mas encurtar os traços ajuda a reduzir a eficiência da antena para frequências normalmente preocupantes.

Etapa 2: você precisa …

1. Amplificador de áudio IC TEA2025B (ebay.com)

2. Capacitor eletrolítico de 6 pcs 100uF (ebay.com)

3. 2 unidades de capacitor eletrolítico 470uF (ebay.com)

4. 2 pcs Capacitor 0,22uF

5. 2 pcs 0,15uF Capacitor de cerâmica

6. Potenciômetro de controle de volume duplo (50 - 100K) (ebay.com)

7. Alto-falante 2 pcs 4 ohm 2,5 W

8. Módulo receptor de MP3 + FM (ebay.com)

9. Matriz de LED com driver IC (Adafruit.com)

10. Placa Vero e alguns fios.

11. Arduino UNO (Adafruit.com)

12. Módulo RTC DS1307 (Adafruit.com)

Etapa 3: Fazendo o Circuito Amplificador

De acordo com o diagrama de circuito anexo, solde todos os componentes na placa de circuito impresso. Use um valor preciso para os capacitores. Tenha cuidado com a polaridade dos capacitores eletrolíticos. Tente manter todo o capacitor o mais próximo possível do IC para minimizar o ruído. Solde o IC diretamente sem usar a base do IC. Certifique-se de cortar os traços entre os dois lados do amplificador IC. Todas as juntas de solda devem ser perfeitas. Este é um circuito amplificador de áudio, então seja profissional com relação à conexão de solda, especialmente com relação ao aterramento (GND).

Etapa 4: Testar o circuito com alto-falante

Depois de concluir todas as conexões e soldas, conecte dois alto-falantes de 4 ohms de 2,5 W ao circuito do amplificador. Conecte uma fonte de áudio ao circuito e ligue-o. Se tudo correr bem, você ouvirá o som sem ruídos.

Usei IC amplificador de áudio TEA2025B para amplificação de áudio. É um bom chip amplificador de áudio que operou em uma ampla faixa de voltagem (3 V a 9 V). Portanto, você pode testá-lo com qualquer tensão dentro da faixa. Estou usando um adaptador de 9V e está funcionando bem. O IC pode operar no modo de conexão dupla ou ponte. Para obter mais detalhes sobre o chip do amplificador, consulte a ficha técnica.

Etapa 5: Preparação do painel frontal da matriz de pontos

Para a visualização do sinal de áudio e exibição de data e hora, coloquei um display de matriz de pontos na parte frontal da caixa do amplificador. Para fazer o trabalho muito bem, usei uma ferramenta rotativa para cortar a moldura de acordo com o tamanho da matriz. Se o seu monitor não tiver chip de driver integrado, use um separadamente. Eu prefiro a matriz bicolor da Adafruit. Depois de selecionar a tela de matriz perfeita, ajuste a tela à base com cola quente.

Iremos conectá-lo à placa Arduino mais tarde. O display bicolor da Adafruit usa o protocolo i2c para se comunicar com o microcontrolador. Portanto, conectaremos o pino SCL e SDA do IC do driver à placa Arduino.

Etapa 6: Programação com Arduino

Conecte a tela de matriz de pontos Adafruit Smart Bi-color como:

1. Conecte o pino 5V do Arduino ao pino + matriz LED.
2. Conecte o pino GND do Arduino ao pino GND do amplificador de microfone e ao pino de matriz de LED.
3. Você pode usar um barramento de alimentação de placa de ensaio ou o Arduino tem vários pinos GND disponíveis. Conecte o pino 0 analógico do Arduino ao pino de sinal de áudio.
4. Conecte os pinos SDA e SCL do Arduino aos pinos da mochila da matriz D (dados) e C (relógio), respectivamente.
5. As placas Arduino anteriores não incluem os pinos SDA e SCL - em vez disso, use os pinos analógicos 4 e 5.
6. Faça upload do programa em anexo e teste se está funcionando ou não:

Comece baixando o repositório Piccolo do Github. Selecione o botão “baixar ZIP”. Assim que terminar, descompacte o arquivo ZIP resultante em seu disco rígido. Haverá duas pastas dentro: “Piccolo” deve ser movido para a pasta de desenho usual do Arduino. “Ffft” deve ser movido para a pasta “Bibliotecas” do Arduino (dentro da pasta do bloco de desenho - se não estiver lá, crie uma). Se você não estiver familiarizado com a instalação de bibliotecas do Arduino, siga este tutorial. E nunca instale na pasta Library adjacente ao aplicativo Arduino em si … o local adequado é sempre um subdiretório de sua pasta de início! Se você ainda não instalou a Adafruit LED Backpack Library (para usar a matriz de LED), faça o download e instale assim que as pastas e bibliotecas estiverem localizadas, reinicie o IDE do Arduino, e o esboço “Piccolo” deve estar disponível no menu Arquivo-> Sketchbook.

Com o esboço do Piccolo aberto, selecione o tipo de placa Arduino e a porta serial no menu Ferramentas. Em seguida, clique no botão Upload. Depois de um momento, se tudo correr bem, você verá a mensagem “Envio concluído”. Se tudo correr bem, você verá o espectro de áudio para qualquer entrada de áudio.

Se o seu sistema funcionar bem, carregue o esboço complete.ino anexado com a etapa para adicionar o relógio binário com a visualização de áudio. Para qualquer entrada de áudio, o alto-falante exibirá o espectro de áudio, caso contrário, ele exibirá a hora e a data.

Etapa 7: consertando todas as coisas juntas

Agora, prenda o circuito do amplificador que você construiu no estágio anterior à caixa com cola quente. Siga as imagens anexadas com esta etapa.

Após conectar o circuito do amplificador, agora conecte o módulo receptor MP3 + FM na caixa. Antes de fixar com cola faça um teste para verificar se está funcionando. Se funcionar bem, conserte com cola. A saída de áudio do módulo MP3 deve ser conectada à entrada do circuito do amplificador.

Etapa 8: conexões internas e produto final

Se o alto-falante receber um sinal de áudio, ele mostrará o espectro de áudio, caso contrário, mostrará a data e a hora no formato binário BCD. Se você gosta de programação e tecnologia digital, tenho certeza de que gosta de binário. Eu gosto de relógio binário e binário. Anteriormente, fiz um relógio de pulso binário e o formato da hora é exatamente o mesmo do meu relógio anterior. Então, para ilustração sobre o formato da hora, adicionei uma imagem anterior do meu relógio sem produzir outra.

Obrigada.

Quarto Prêmio no Concurso de Circuitos 2016

Primeiro Prêmio no Concurso de Amps e Alto-falantes 2016