La etapa de audio

Finalmente,  para acabar de completar el diseño de nuestro receptor OM, solo nos queda explicar una última etapa: la etapa de audio. Y que consistirá hacer posible la conexión de un altavoz al circuito que tenemos hasta el momento.

Un altavoz es un transductor electroacústico igual que el micrófono, pero que a diferencia de este realiza la operación inversa, es decir transforma señales eléctricas en ondas acústicas que dan origen al sonido.

En un altavoz tenemos los siguientes elementos: un imán fijo, un diafragma que es una simple membrana plástica y, pegado a la membrana, una bobina devanada sobre un cilindro y que se puede mover. El devanado está insertado en el imán. 

Y su funcionamiento es el siguiente: cuando la corriente que proviene del amplificador (luego veremos por qué) atraviesa el grupo de espiras, se produce un campo magnético variable. Este campo magnético reacciona ante el otro campo magnético permanente que produce el imán de tal manera que se genera una fuerza de repulsión (o de atracción, según las polaridades que tengamos en los imanes) sobre el devanado. Al cambiar la dirección de la corriente eléctrica del devanado cambiamos la dirección de esa fuerza. El devanado va hacia un lado cuando la corriente eléctrica va hacia una dirección y hacia el contrario cuando la corriente cambia. Como el devanado está acoplado al diafragma, cuando uno se mueve, el otro también.

Este desplazamiento hacia delante y hacia atrás del diafragma, desplaza también, a su vez, al aire, generando una vibración. Como la corriente que pasa por el devanado es la representación eléctrica del sonido que queremos reproducir, los cambios de presión del aire que se producen al mover el diafragma, se corresponden a ese sonido. 

Una vez se generada la onda acústica (u onda sonora), esta se propaga y llega a nuestro tímpano donde provoca un movimiento análogo al que se producía en el diafragma del altavoz. Este movimiento del tímpano genera un impulso nervioso en nuestro cerebro y este lo interpreta como  la audición.

Nota 1: Se denomina electroimán al tipo de imán cuyo campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, desapareciendo en cuanto cesa dicha corriente.

Nota 2: Nuestro tímpano tiene sensibilidad para ondas sonoras cuyas frecuencias están entre los 20 Hz y los 20 kHz. Fuera de ese rango, nuestro oído no percibe nada.

Des del punto de vista circuital, como lo que hacemos es transformar energía (en este caso de eléctrica a acústica), lo que modela ese circuito es una resistencia. Es verdad que, para producir esta transducción de energía, se supone que hay una bobina, pero a las frecuencias a las que trabaja el dispositivo, la impedancia L2πf << R_L. Y, por lo tanto, aproximadamente, en el rango de frecuencias de audio, este dispositivo se puede modelar como una simple resistencia. 

El valor de esta resistencia o bien es de 8 Ohm (lo más habitual), o bien es de 4 Ohm. Si miniaturizamos el altavoz, tenemos los denominados auriculares y, para este caso, la resistencia es de 32 Ohms.

Para poder escuchar adecuadamente los sonidos que produce el altavoz (sonorizar una sala), necesitamos transferirle una potencia mínima que viene definida por la ecuación:

Y que ha de ser mayor que el nivel de potencia de ruido que tengamos en dicha sala.

Por lo tanto, a partir de la ecuación vemos que, para lograr una potencia mínima, necesitaremos un nivel de tensión específico. Como el nivel de tensión que hay a la salida de nuestro detector de envolvente es bajo (en torno a los 300 mV), necesitaremos amplificar la señal. Para ello utilizaremos el Amplificador Operacional TL081. Sin embargo, el problema de utilizar A0s es que tienen limitada la corriente a través del terminal de salida. Para el TL081 mod(I₀) < 30 mA. De esta forma:

Por lo tanto, si no se quiere superar esta cota que nos proporciona el fabricante para que el AO opere bien, obtendríamos una P_L=3,6 mW, que sería insuficiente para sonorizar bien la sala*.

Nota 3*: Para una sala como la clase en la que damos teoría, si nos mantenemos en silencio, necesitaríamos unos 60 mW de potencia. 

Nota 4: A las resistencias que configuran la amplificación del AO como Amplificación=1+R₂/R₁, le vamos a dar valores de las decenas de kOhms, para que la fracción de corriente de I₀ que se vaya por R₂ sea despreciable frente a la que se vaya por el resistor R_L=8 Ohm. Y, por lo tanto, no extraer a penas corriente del terminal de salida del AO y tenerla toda disponible para lo que conectemos a la salida (el altavoz).

Haciendo cálculos de R> mod(V₀)/30mA, para diferentes valores de Vcc, obtenemos:

Es decir, polarizando simétricamente a 4.5 V, para conseguir una potencia en torno a los 60 mW (cumpliendo la limitación del AO), necesitaríamos colocar una resistencia de R_L=150 Ohm. Pero, como sabemos, no existen altavoces de 150 Ohm. Es por esta razón que necesitamos un transformador:

Con los siguientes criterios de diseño:

Nota 5: para hacer L₁2πf >>> (N₁/N₂)²·8, L₁ ha de ser muy elevada y eso solo se puede a base de muchas espiras (mucho cobre) y un núcleo ferromagnético muy alto (2º criterio de diseño). Los problemas que nos encontramos son que es caro y que se hace imposible la miniaturización.

Como  R_L=150 Ohm-> N₁/N₂=5 aproximadamente. Y cogeremos N₁= 500 espiras y N₂= 100 espiras.

Además como nosotros lo que realmente tendremos es un AO polarizado asimétricamente (+9V), deberemos colocar un condensador en serie con R1 para que no se nos modifique la continua que tenemos (aproximadamente 4.5V), tal y como hacíamos en el AO de la etapa separadora. De esta forma, a la salida seguimos teniendo los 4.5 V y nos podemos permitir una excursión de 4.5V (9V-4.5V). Y como hemos visto antes, con la excursión de 4.5V, y colocando una resistencia de 150 Ohm, no superaremos los 30 mA que tiene de limitación el AO. 

Pero falta un último detalle: no podemos permitir que la tensión continua de 4,5 V llegue a la resistencia R_L=150 Ohm que representa al altavoz. Es decir, hemos de bloquear la tensión continua para que al transformador solo llegue la sinusoide. Porque si no, lo que ocurriría es que la inductancia cortocircuitaría el AO. Por lo tanto, eliminaremos la componente continua poniendo un condensador C₂ a la salida del amplificador y la tensión V₀ quedará centrada en 0 V. 

Resumiendo, nuestra etapa de audio quedará de la siguiente forma:

Nota 6: la amplificación que necesitaremos, para tener V₀=4.5 V irá de 1 a 20 (dependiendo los de la tensión que recuperemos en el detector de envolvente). 

Una posible implementación de estas 2 últimas etapas que hemos diseñado sería la siguiente:

Y vemos que, si hacemos R₂ ajustable, tendremos un control de volumen, ya que permitirá que V_o sea de mayor o menor amplitud y, por lo tanto, que podamos dosificar la potencia que llega al altavoz. 

Con todo esto, ya hemos finalizado nuestro receptor de OM.

Hace 7 semanas, cuando el profesor nos dijo que este circuito representaba un receptor de radio, no teníamos idea alguna de qué función podía desempeñar cada componente. Es más, parecía cosa de magia que “eso” realmente funcionara y se escuchara voz.

Después de este periodo de tiempo, hemos podido comprobar que detrás de este dispositivo electrónico hay mucha ciencia y todo está muy, muy pensado. Nos no mentía José M. Miguel cuando nos decía que el diseño de radio receptores podía llegar a ser un tema de amplio espectro. Sin embargo, a pesar de que se necesita tiempo y dedicación para llegar a comprender todo en su totalidad, en el camino se aprende mucho y la verdad es que llega a ser fascinante.

Nada más que decir. ¡Hemos acabado nuestro primer gran experimento!