Entender cómo funciona un circuito amplificador de audio

Question

Estoy tratando de aprender electrónica e ingeniería eléctrica a través de la construcción de pequeños proyectos prácticos (juguetes en su mayoría). He estado aprendiendo mucho de adafruit y spark fun, pero estoy tratando de diversificar un poco y aprender fuera de sus tutoriales de vez en cuando.

Tengo un par de proyectos a los que quiero añadir sonido y proporcionar control de volumen. Tuve problemas para conseguirlo en mi último proyecto (el potenciómetro "funcionaba", pero el volumen sólo cambiaba a lo largo de una pequeña porción del rango del pote y el cambio era muy drástico).

He buscado un poco y he encontrado un vídeo muy currado en youtube en el que el creador construye un amplificador para su teléfono. He adaptado el diagrama del circuito para trabajar con las señales de tono que estoy enviando desde mi micro controlador adafruit y funciona.

El hecho de que funcione es genial, pero no entiendo del todo lo que pasa. Es la primera vez que trabajo con un mosfet (que sé que es un transistor y funciona como los transistores NPN que he utilizado anteriormente) y un condensador.

Entiendo que el mosfet me permite usar la señal más pequeña de 3v que sale de mi controlador (p1) para controlar la fuente de alimentación más alta de 9v amplificando efectivamente la señal, pero estoy un poco confuso en algunos de los otros detalles:

• ¿Le parece correcto este circuito? (físicamente funciona, pero no sé si he dibujado bien el circuito :/ )
• ¿Qué hace realmente el condensador en este circuito?
• ¿Por qué necesito una resistencia entre las patas de compuerta y drenaje?

Definitivamente, agradezco cualquier idea que puedas dar.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Answer 1

¿Parece correcto este circuito? (físicamente funciona, pero no sé si he dibujado el circuito correctamente :/ )

Sí. Parece razonable. Al menos, tan razonable como lo es el circuito, que no es mucho.

¿Qué hace realmente el condensador en este circuito?

Permite que el FET ignore el nivel de CC en la entrada. Así, puedes presentarlo con 1 VAC alrededor de tierra, o 1 VAC montado sobre 5 voltios, o lo que sea. Como llegaré en un momento, esto puede ser importante.

¿Por qué necesito una resistencia entre las patas de compuerta y drenaje?

Ahora es cuando la cosa se pone interesante, y no del todo en el buen sentido.

El FET funciona así: por encima de cierto umbral (llamado Vgs(th) en la hoja de datos), el aumento de la tensión GS (puerta-fuente), hace que la resistencia aparente entre DS (drenaje-fuente) caiga. En este circuito, esto hace que la corriente en el altavoz y el FET aumente, lo que hace que el voltaje de drenaje (y por lo tanto la puerta) caiga. En algún momento, los dos efectos se estabilizarán, y esta disposición se denomina retroalimentación negativa.

Aquí es donde este circuito muestra sus problemas. ¿Recuerdas el umbral que mencioné? Por su parte está en el rango de 2 a 4 voltios. Digamos 4. Así que, si el voltaje de la puerta es inferior a 4 voltios, el FET estará apagado y habrá 9 voltios disponibles en la puerta. Esto hará que la resistencia del FET caiga, y en algún momento (alrededor de 4 voltios) el FET se encenderá lo suficiente como para dar 4 voltios en la puerta. El problema es que esto significa que el altavoz está perdiendo 5 voltios. Con un altavoz de 8 ohmios, esto significa que, sin entrada, el circuito consumirá 5 voltios/8 ohmios, o unos 0,6 amperios. Esto agotará rápidamente cualquier batería que utilices para la alimentación. No sólo eso, sino que producirá unos 3 vatios de calentamiento en el altavoz. Dado que la máxima salida de música posible es de 0,7 (2,5 ^2/8), es decir, unos 0,54 vatios, se trata de un sistema sumamente ineficiente.

Ahora, en cuanto a R2. Aísla más o menos la parte de CA de la señal de puerta del drenaje. Sin él, la señal que pasa a través del condensador tendría que conducir efectivamente 8 ohmios, y esto produciría una señal muy pequeña en la puerta, ya que tendría un divisor de tensión de 8 ohmios/10.000.

ETA - Ah, sí, y se me olvidaba. ¿Recuerdas cuando mencioné la utilidad de un condensador de bloqueo (C1)? Aunque este circuito no es una buena opción para un amplificador de potencia, algo así es bastante útil como preamplificador para proporcionar una entrada para un amplificador de potencia que SÍ es una buena opción. Un circuito preamplificador de este tipo (a menos que también incorpore un condensador de bloqueo en la salida), tendrá un gran nivel de CC en su salida. Unos 4 voltios en este caso. O puede estar centrado en cero si se utiliza un circuito más sofisticado. Como nunca se sabe qué tipo de circuito extraño puede estar conectado a un amplificador, poner un condensador de bloqueo de CC en la entrada es una muy buena idea.

Answer 2

Este circuito utilizó un FET con polarización de diodo: la puerta y el drenaje están polarizados al mismo voltaje; su región lineal es muy pequeña, de ahí el "cambio drástico" de volumen al cambiar el pote. La resistencia asegura que la puerta y el drenaje estén a la misma tensión media (DC).

La corriente será alta, suponiendo que se trata de un MOSFET de potencia. Cualquier batería no durará.

El condensador proporciona una flexibilidad en los voltajes en la compuerta frente al wiper del pote; este comportamiento se denomina clásicamente "bloqueo de CC".

Answer 3

Esto no es una respuesta, sino un comentario

Puede simplificar el aspecto del circuito eliminando el bus de tierra del circuito, con lo que la ruta de la señal a través del circuito queda más clara.

También haz que sea obvio que R1 es un divisor de voltaje haciéndolo vertical.

Desenreda las conexiones del altavoz y pon esa parte del circuito en vertical, para que se vea más claramente que M1 conmuta 9V a través del altavoz

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab