Autor: Mauro Benito Montoya Arenas (mauro2017pre@gmail.com)

CIRCUITO DETECTOR DE SONIDO

I. INTRODUCCION

Este circuito llamado ‘Detector de sonido’ es lo que detecta las vibraciones de las ondas de sonido y las amplifica para que los oídos humanos las escuchen con claridad. Según el diseño del circuito del detector de sonido con 741 IC, funciona de manera eficiente dentro del límite de 1 metros alrededor de la vecindad donde se fija. Esta configuración se puede hacer en cualquier lugar deseable, como los porches de automóviles y en las esquinas de la casa. Tan pronto como un micrófono incorporado en el proyecto detecta la vibración de la onda de sonido, el circuito del detector de sonido que utiliza el amplificador operacional 741 produce pitidos para alertar a las personas que se encuentran en esa área.

II. Materiales

Resistencias: R1 = 2.8 KΩ, R2 = 4.7 KΩ, R3, R4, R6 = 10 KΩ, R5 = 1 KΩ

Potenciómetros: VR1 = 1 MΩ,  VR2 = 100 KΩ

Capacitores: C1 = 0.47 µF (Disco de cerámica), C2 = 10 µF / 16V (condensador electrolítico)

Semiconductores: IC1, IC2 = LM741C (Amplificador operacional)

T1, T2 = BC548 (transistor de silicio NPN de propósito general)

MIC1 = Micrófono de condensador

PZ1 = Zumbador Piezo

SW1 = Interruptor de encendido / apagado

Batería de 9V

II. Marco teórico

Los amplificadores operacionales:

Los amplificadores operacionales, también llamados Op Amp por sus siglas en inglés, son dispositivos electrónicos capaces de realizar una gran cantidad de funciones dentro de un circuito electrónico , dependiendo de la como se coloque dentro del mismo.

El amplificador operacional posee 5 patas, las cuales poseen distintas funciones:

En los amplificadores operacionales se cumplen algunas condiciones:

- La impedancia entre las entradas inversora y no inversora es infinita, por lo que no hay corriente de entrada.

- La diferencia de potencial entre las terminales inversora y no inversora es, o debe ser nula.

- No hay corriente entrando o saliendo de las patas inversora y no inversora.

Con dichas condiciones basta para conocer el funcionamiento de los amplificadores operacionales. El símbolo del amplificador operacional es el de un triángulo en cuya base de colocan las patas inversora y no inversora. En el vértice superior se coloca la salida. En los lados del triángulo se colocan las entradas del voltaje que se necesita para hacer efectiva la amplificación.

La tensión o voltaje de salida del dispositivo V_out está dada por la ecuación:

en la cual A_OL representa la ganancia del dispositivo cuando no hay realimentación, condición conocida también como "lazo (o bucle) abierto". En algunos amplificadores diferenciales, existen dos salidas con desfase de 180° para algunas aplicaciones especiales. 

Lazo abierto

La magnitud de la ganancia A_OL es, generalmente, muy grande, del orden de 100.000 veces o más y, por lo tanto, una pequeña diferencia entre las tensiones V_+ y V_- hace que la salida del amplificador sea de un valor cercano al de la tensión de alimentación, situación conocida como saturación del amplificador. La magnitud de A_OL no es bien controlada por el proceso de fabricación, así que es impráctico usar un amplificador en lazo abierto como amplificador diferencial

Amplificador operacional en modo de lazo abierto, configuración usada como comparador

Si la entrada inversora es conectada a tierra (0 V) de manera directa o mediante una resistencia R_g y el voltaje de entrada  V_in  aplicado a la otra entrada es positivo, la salida será la de la máxima tensión positiva de alimentación; si V_in  es negativo, la salida será el valor negativo de alimentación. Como no existe realimentación, desde la salida a la entrada, el amplificador operacional actúa como comparador. 

Lazo cerrado

Si se desea un comportamiento predecible en la señal de salida, se usa la realimentación negativa aplicando una parte de la tensión de salida a la entrada inversora. La configuración de lazo cerrado reduce notablemente la ganancia del dispositivo, ya que ésta es determinada por la red de realimentación y no por las características del dispositivo. Si la red de realimentación es hecha con resistencias menores que la resistencia de entrada del amplificador operacional, el valor de la ganancia en lazo abierto A_OL no afecta seriamente la operación del circuito. En el amplificador no inversor de la imagen, la red resistiva constituida por R_g y R_f determina la ganancia en lazo cerrado. 

Un amplificador operacional en modo de realimentación negativa

Una forma válida de analizar este circuito se basa en estas suposiciones válidas:2 

1. Cuando un amplificador operacional opera en el modo lineal (no saturado) la diferencia de tensión entre las dos entradas es insignificante (V+ ≅ V− ).

2. La resistencia entre las entradas es mucho más grande que otras resistencias en la red de realimentación (Rin ≫ Rrealimentación ).

Debido a (1), la tensión V− ≅ Vin y la corriente que pasa por la resistencia R_g es: 

Pero la red conformada por las resistencias es un divisor de tensión y como la corriente “i” no entra al amplificador por presentar en sus entradas resistencias casi infinitas (2), entonces esa corriente circula también por la resistencia R_f  y por ello: 

Como resultado, la ganancia en lazo cerrado A_CLla define la anterior ecuación: 

Micrófono de condensador

El micrófono de condensador se basa en un hecho físico: si una de las placas de un condensador tiene libertad de movimiento con respecto a otra que permanece fija, la capacidad de almacenar carga variará. La placa móvil hace la función de membrana del micrófono. Se trata de un disco conductor (base de poliéster con recubrimiento de metal vaporizado que es lo que lo hace conductor) de 12 a 25 mm de diámetro. Es esta placa móvil la que se acerca o se aleja de la fija, provocando una variación en la carga eléctrica almacenada (se ganan o pierden electrones en las placas por la variación de la capacidad). Dicha variación de carga produce una variación de tensión que da lugar a la señal del micrófono, pues se pone una resistencia en serie con la fuente Phantom.

Zumbador piezo

Zumbador, buzzer en inglés, es un transductor electroacústico que produce un sonido o zumbido continuo o intermitente de un mismo tono (generalmente agudo). Sirve como mecanismo de señalización o aviso y se utiliza en múltiples sistemas, como en automóviles o en electrodomésticos, incluidos los despertadores. 

Inicialmente este dispositivo estaba basado en un sistema electromecánico que era similar a una campana eléctrica pero sin el badajo metálico, el cual imitaba el sonido de una campana. 

Su construcción consta de dos elementos, un electroimán o disco piezoeléctrico y una lámina metálica de acero. El zumbador puede ser conectado a circuitos integrados especiales para así lograr distintos tonos. 

Cuando se acciona, la corriente pasa por la bobina del electroimán y produce un campo magnético variable que hace vibrar la lámina de acero sobre la armadura, o bien, la corriente pasa por el disco piezoeléctrico haciéndolo entrar en resonancia eléctrica y produciendo ultrasonidos que son amplificados por la lámina de acero

IV. Funcionamiento del circuito

El diagrama del circuito del detector de sonido con op-amp 741 se muestra en la figura 1. El corazón del circuito es op-amp 741, que se utiliza para detectar las vibraciones de los micrófonos de condensador de ondas de sonido. La sensibilidad del micrófono del condensador se ajusta por el valor de la resistencia R1 utilizada en el circuito. Una vez que el micrófono detecta vibraciones de sonido, las capta y las convierte en señales eléctricas. La salida del micrófono se alimenta como entrada al pin 2 de IC1 a través del condensador de acoplamiento C1. Luego, la señal se amplifica y se envía a IC2 (IC 741C), que en este proyecto sirve como un dispositivo de comparación.

Figura 1

El pin 3 no inversor de IC2 recibe la entrada de la señal de salida amplificada de IC1 a través de otro condensador C2. De la misma manera, un pin de inversión 2 de IC2 obtiene la señal de entrada de un voltaje de referencia que pasa a través del controlador de voltaje VR2.

En la etapa final, la salida IC2 se alimenta como impulso de entrada de disparo a los transistores de pares Darlington T1 y T2. Un zumbador piezo que está conectado al final del transistor T2, es decir, en el terminal emisor, es el componente responsable de producir un sonido de pitido al final de las operaciones seguidas a lo largo de todo el circuito.

El hecho fascinante sobre el circuito detector de sonido del proyecto que utiliza el amplificador operacional 741 es que también se puede diseñar dentro de un área pequeña en una PCB o Veroboard. Para lograr la máxima ganancia posible de IC1 y la sensibilidad de IC2, se ajusta los valores respectivos del potenciómetro VR1 y VR2 como se indica en los párrafos anteriores.

Durante las implementaciones prácticas del proyecto, si el pitido del zumbador piezo sigue y sigue y no se detiene, coloque el limpiador de VR2 hacia la línea de tierra. Para el circuito sin fallos, siga las instrucciones que se indican a continuación:

- Fije el zumbador piezoeléctrico en un lugar donde las personas puedan escuchar y el sensor en el lugar adecuado donde necesite un monitoreo continuo.

- Para ampliar la sensibilidad del micrófono, conéctelo con un cable blindado de dos núcleos y enciérrelo en un estuche pequeño.

- Para evitar ruidos de la red eléctrica de CA, los suministros de batería son altamente recomendados para este proyecto en particular.

V. BIBLIOGRAFÍA

https://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional

http://www.academicos.ccadet.unam.mx/jorge.marquez/cursos/Instrumentacion/AmplificadoresOperacionales.pdf

Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos ………………… Boylestad

http://www.angelfire.com/electronic2/xarlos/Electronica3/uno/intro.htm

https://bestengineeringprojects.com/sound-detector-circuit-using-op-amp-741/