Intercomunicador bidireccional con preamplificador y LM386
Introducción
En las prácticas anteriores se estudiaron por separado diferentes etapas de amplificación de audio: el preamplificador con transistor y el amplificador de audio basado en el LM386.
En esta práctica ambos circuitos se integran para construir un sistema sencillo de intercomunicación bidireccional, formado por dos estaciones.
Cada estación dispone de:
-
Un micrófono electret.
-
Un preamplificador transistorizado.
-
Un amplificador de potencia basado en LM386.
-
Un parlante.
-
Las conexiones necesarias para comunicarse con la otra estación.
De esta manera, cuando una persona habla en la Estación A, su voz es captada por el micrófono, amplificada por el preamplificador y enviada hacia la Estación B. Allí la señal es amplificada nuevamente por el LM386 y reproducida mediante el parlante.
El proceso ocurre simultáneamente en sentido contrario.
Estructura general del sistema
El sistema puede entenderse mediante dos cadenas de señal:
Estación A:
Micrófono → Preamplificador → Línea de transmisión → LM386 → Parlante
Estación B:
Micrófono → Preamplificador → Línea de transmisión → LM386 → Parlante
Por tanto, cada estación contiene tanto un transmisor como un receptor.
Esto es lo que permite que cualquiera de las dos personas pueda hablar y escuchar.
En la interconexión deberán respetarse cuidadosamente las denominaciones TX y RX indicadas en el circuito.
La salida del transmisor de una estación debe llegar a la entrada del receptor de la estación opuesta. Por ejemplo:
TXA → RXB
y
TXB → RXA
Además de las señales de audio, debe existir el retorno eléctrico común correspondiente al circuito. Los estudiantes deberán seguir el conexionado mostrado en el esquema y verificar la continuidad de las conexiones antes de energizar el sistema.
El transmisor: preamplificador con transistor
La primera etapa de cada estación está formada por un transistor 2N2222 configurado como amplificador de emisor común.
Su función no es entregar directamente potencia al parlante, sino elevar la pequeña señal producida por el micrófono hasta un nivel adecuado para enviarla hacia la siguiente etapa.
El funcionamiento puede representarse como:
Voz → Micrófono → pequeña señal eléctrica → preamplificador → señal de mayor amplitud
En esta etapa son importantes los componentes que ya fueron estudiados en la práctica anterior:
-
resistencia de polarización de base;
-
resistencia de colector;
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resistencia de emisor;
-
capacitor de bypass del emisor;
-
capacitores de acoplamiento.
La utilización del capacitor en paralelo con la resistencia de emisor permite mantener la estabilidad de la polarización en corriente continua y, simultáneamente, reducir la realimentación negativa para la señal de audio.
De esta manera se obtiene una ganancia de tensión considerablemente mayor que la que se obtendría manteniendo la resistencia de emisor completamente activa para la señal alterna.
¿Por qué no conectar el micrófono directamente al LM386?
El micrófono electret produce una señal de amplitud relativamente pequeña.
Aunque el LM386 es un amplificador de audio, no debemos confundir amplificación de potencia con amplificación de una señal muy pequeña.
El preamplificador cumple precisamente la función de adaptar la señal proveniente del micrófono a un nivel más apropiado para la siguiente etapa.
Tenemos entonces dos funciones diferentes:
Preamplificador:
Aumenta principalmente el nivel de tensión de una señal pequeña.
LM386:
Proporciona la amplificación necesaria para poder entregar potencia suficiente al parlante.
Por ello, la combinación de ambas etapas resulta mucho más apropiada que intentar realizar toda la amplificación con una única etapa.
El receptor: amplificador de audio LM386
La señal proveniente de la otra estación llega a la entrada del LM386.
Este circuito integrado está diseñado específicamente para aplicaciones de amplificación de audio de pequeña potencia.
En nuestro circuito, el LM386 recibe la señal procedente del preamplificador remoto y la amplifica hasta un nivel suficiente para accionar el parlante.
En la entrada se encuentra además un control de volumen, que permite modificar el nivel de señal aplicado al amplificador.
Esta regulación será particularmente importante durante la práctica debido a un fenómeno que estudiaremos a continuación.
El capacitor de salida
En la salida del LM386 se encuentra un capacitor de acoplamiento de 100 µF.
Su función es impedir que una componente continua presente en la salida del amplificador llegue al parlante.
Para una frecuencia determinada, la oposición que presenta el capacitor viene dada por:
Xc = 1 / (2πfC)
Para un capacitor de 100 µF y una señal de 1 kHz:
Xc ≈ 1,59 ohmios
Este valor es suficientemente pequeño para que la señal de audio pueda llegar al parlante con una atenuación reducida.
Sin embargo, el capacitor y la impedancia del parlante forman un filtro pasa-altas. Considerando un parlante de 8 Ω:
fc = 1 / (2πRC)
fc ≈ 199 Hz
Por lo tanto, con 100 µF y un parlante de 8 Ω existe una atenuación apreciable de las frecuencias bajas.
Esto es importante: el capacitor de 100 µF funciona correctamente como acoplamiento, pero no constituye una solución ideal si se pretende reproducir audio de espectro amplio en un parlante de 8 Ω.
En un intercomunicador de voz esto puede ser aceptable, porque la inteligibilidad del habla se concentra principalmente en las frecuencias medias.
La red formada por C6 y RL1
En paralelo con la salida del amplificador aparece una red formada por C6 = 100 nF y RL1 = 47 Ω.
Esta red tiene una función diferente al capacitor de salida.
Su objetivo es ayudar a mantener estable al amplificador frente a la naturaleza inductiva del parlante, proporcionando una carga más adecuada para las componentes de frecuencia elevada.
No debe interpretarse, por tanto, como otro capacitor de acoplamiento.
Esta pequeña red constituye una forma sencilla de red de compensación o Zobel, utilizada frecuentemente en amplificadores de audio.
El problema de la realimentación acústica
Una de las partes más importantes de esta práctica no está relacionada directamente con los componentes electrónicos.
Se trata de la realimentación acústica.
Supongamos que una persona habla frente al micrófono de la Estación A.
La señal sigue este recorrido:
Voz → micrófono A → amplificador → parlante B
Hasta aquí todo funciona correctamente.
Pero el sonido producido por el parlante B puede propagarse por el ambiente y llegar nuevamente al micrófono A.
Entonces aparece otro recorrido:
micrófono A → amplificador → parlante B → ambiente → micrófono A
Tenemos ahora un sistema de realimentación.
¿Por qué aparece el acoplamiento acústico?
El micrófono convierte el sonido en una señal eléctrica.
El amplificador aumenta esa señal.
El parlante vuelve a convertir la señal eléctrica en sonido.
Si ese sonido vuelve a alcanzar el micrófono, el proceso comienza nuevamente.
Si la señal que regresa tiene suficiente amplitud y la ganancia total del sistema es suficientemente elevada, puede producirse una condición conocida como realimentación positiva.
El resultado puede ser:
-
un silbido;
-
un tono agudo;
-
oscilaciones;
-
sonido distorsionado;
-
e incluso un fuerte acoplamiento que dificulte completamente la comunicación.
Este fenómeno suele denominarse acople acústico, realimentación acústica o, coloquialmente, feedback.
No se trata de que el circuito electrónico esté necesariamente mal construido.
El problema aparece porque el sistema completo forma un lazo de realimentación a través del medio acústico.
¿Por qué algunas frecuencias producen un silbido?
El problema puede resultar todavía más interesante si analizamos las frecuencias.
El micrófono, los amplificadores, el parlante y el ambiente no responden exactamente igual a todas las frecuencias.
Puede existir una determinada frecuencia para la cual:
-
el micrófono tiene buena sensibilidad;
-
el amplificador proporciona suficiente ganancia;
-
el parlante reproduce eficientemente esa frecuencia;
-
y el sonido regresa al micrófono con una fase favorable.
Si la ganancia total del recorrido supera las pérdidas del sistema, la señal puede comenzar a crecer.
Por eso normalmente el acoplamiento se manifiesta como un silbido o tono dominante, en lugar de producir simplemente un aumento uniforme del volumen.
¿Cómo evitar el acoplamiento durante la práctica?
Para esta primera implementación no intentaremos solucionar el problema mediante modificaciones electrónicas.
El objetivo será aprender primero a identificarlo y controlarlo mediante procedimientos prácticos.
1. Separar físicamente micrófono y parlante
Evitar colocar el micrófono directamente frente al parlante de la misma estación.
Siempre que sea posible, colocar ambos elementos en direcciones diferentes.
2. Utilizar auriculares
Una solución particularmente efectiva para la práctica es utilizar auriculares pequeños, preferentemente del tipo utilizado en teléfonos o sistemas de comunicación.
El sonido queda próximo al oído del usuario y se reduce considerablemente la energía acústica que se propaga por el ambiente.
Esto disminuye la posibilidad de que el micrófono vuelva a captar la señal reproducida.
3. Reducir el volumen
El control de volumen del LM386 debe comenzar en un nivel bajo.
Posteriormente se incrementará gradualmente hasta conseguir un nivel adecuado.
No tiene sentido utilizar una ganancia o volumen mayor al necesario.
Mayor volumen → mayor energía acústica → mayor posibilidad de realimentación.
4. Utilizar aislamiento acústico
También puede experimentarse colocando materiales absorbentes alrededor del parlante o modificando su orientación.
Materiales como espuma acústica, gomaespuma o materiales textiles pueden reducir parte de las reflexiones acústicas.
Sin embargo, hay que tener claro que el material absorbente no elimina por sí mismo la realimentación. Su efecto depende de dónde se coloque y de las frecuencias que consiga absorber.
La separación física, la orientación y la reducción del volumen suelen ser medidas más importantes.
Una experiencia interesante para el estudiante
La realimentación acústica puede convertirse en una parte importante de la práctica.
Se propone comenzar con:
-
Micrófono y parlante separados.
-
Volumen mínimo.
-
Aumentar lentamente el volumen.
-
Observar qué sucede cuando comienza el acoplamiento.
-
Modificar la posición del micrófono.
-
Modificar la orientación del parlante.
-
Reducir nuevamente el volumen.
-
Comparar el comportamiento utilizando parlante y auriculares.
De esta manera, el estudiante no solamente construirá el intercomunicador, sino que experimentará directamente un fenómeno fundamental de los sistemas de audio.
Una solución que estudiaremos posteriormente
En esta práctica resolveremos el problema de manera principalmente acústica.
Pero existe una solución mucho más interesante desde el punto de vista electrónico.
Si conocemos qué señal está siendo transmitida y podemos identificar la parte de esa señal que está siendo captada nuevamente por el micrófono, podemos diseñar un circuito que reduzca o cancele la componente correspondiente.
Esto introduce conceptos como:
-
realimentación;
-
suma y resta de señales;
-
cancelación;
-
aislamiento entre canales;
-
procesamiento de señales.
En una práctica posterior modificaremos el preamplificador para estudiar precisamente este problema desde el punto de vista circuital, buscando evitar que el sonido reproducido por el parlante propio sea nuevamente amplificado.
Por ahora, el objetivo es comprender el fenómeno antes de intentar solucionarlo electrónicamente.
¿Intercomunicador o sistema de perifoneo?
El circuito construido en esta práctica puede considerarse fundamentalmente un intercomunicador bidireccional, porque ambas estaciones pueden transmitir y recibir.
Sin embargo, la arquitectura utilizada constituye también una buena introducción a un sistema de perifoneo.
La diferencia fundamental estaría en la etapa de salida.
En nuestro intercomunicador:
Preamplificador → LM386 → parlante
En un sistema de perifoneo de mayor potencia podríamos tener:
Micrófono → Preamplificador → etapa de potencia → parlante de mayor potencia
La etapa de potencia permitiría entregar una cantidad mucho mayor de energía al parlante, haciendo posible cubrir espacios más grandes.
En ese caso, el LM386 podría utilizarse como una etapa de amplificación de pequeña potencia o incluso sustituirse por una etapa diseñada específicamente para la potencia requerida.
Por tanto, no debemos confundir el pequeño amplificador LM386 con una etapa de perifoneo de alta potencia. Su función en esta práctica es suficiente para demostrar el principio de comunicación, pero no está pensado para alimentar grandes sistemas de altavoces.
Actividad práctica
Construya las dos estaciones siguiendo el esquema proporcionado.
Cada estación deberá disponer de:
-
Micrófono electret.
-
Preamplificador con 2N2222.
-
LM386.
-
Control de volumen.
-
Parlante.
-
Conectores de transmisión y recepción.
Una vez terminado el montaje:
Parte 1 – Comprobación individual
Verifique primero el funcionamiento del preamplificador y posteriormente el del LM386.
Parte 2 – Interconexión
Conecte las estaciones siguiendo el esquema:
TXA → RXB
TXB → RXA
y los correspondientes retornos eléctricos.
Parte 3 – Comunicación
Compruebe que una persona puede hablar desde la Estación A y ser escuchada en la Estación B.
Posteriormente invierta el sentido de comunicación.
Parte 4 – Estudio de la realimentación
Aumente gradualmente el volumen y observe el momento en que aparece el acoplamiento acústico.
Modifique:
-
distancia;
-
orientación;
-
volumen;
-
posición del micrófono;
-
posición del parlante.
Registre las observaciones.
Parte 5 – Comparación
Finalmente, repita la experiencia utilizando auriculares y compare el resultado con el obtenido utilizando los parlantes.
Conclusión
En esta práctica se integran dos etapas estudiadas anteriormente para construir un sistema funcional de comunicación de audio.
El preamplificador transistorizado permite elevar la pequeña señal generada por el micrófono, mientras que el LM386 proporciona la amplificación necesaria para reproducir dicha señal mediante un parlante.
Pero, además del funcionamiento electrónico, la práctica introduce un concepto fundamental en los sistemas de audio: la realimentación acústica.
Cuando el sonido producido por un parlante vuelve a ser captado por un micrófono, se forma un lazo de realimentación que puede provocar oscilaciones y acoplamientos indeseados. La separación física, la orientación de los dispositivos, el control adecuado del volumen y el uso de auriculares son medidas sencillas que permiten reducir considerablemente este problema.
En una práctica posterior se abordará el mismo fenómeno desde el punto de vista electrónico, modificando el circuito para intentar reducir o cancelar la señal procedente del propio parlante, avanzando así desde una solución puramente acústica hacia una solución basada en circuitos electrónicos.
Finalmente, esta misma estructura puede servir como punto de partida para sistemas de mayor potencia, incorporando una etapa de potencia y un parlante de mayor capacidad, transformando el concepto de intercomunicador en una aplicación básica de perifoneo.
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