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Mesa de mezcla: modulo principal

Figura 1: El módulo principal de la mesa de mezcla modular audio.

El módulo principal incluye el sumador, que se encarga de mezclar las señales audio que llegan desde los varios módulos y provisionar una señal unica a la salida. Ademas es el unico con alimentación, y provisiona tensión a todos los otros módulos.

1 - Caracteristicas del circuto

Los elementos en el panel de usuario son:

Led de alimentación: está siempre encendido y indica que el dispositivo tiene alimentación;
Led de saturación: llamado también led de clip, se enciende cuando la salida de la mezcladora supera los niveles de linea, es decir cuando el volumen es demasiado alto;
Volumen principal: controla el volumen de la señal audio a la salida de la mezcladora;

Los elementos dedicados a conexiones son:

Salida audio: la salida con la señal audio que representa la suma de todas las entradas audio de los diferentes módulos;
Alimentación: la tensión de alimentación unica; en la introducción a la mesa de mezcla se ha comentado la gama de valore posibles;
Enchufe para los módulos: el conector al que se conectan los otros módulos;

En la Figura 2 se enseña como varia el volumen principal en función de la posición del potenciómetro. La curva ha sido diseñada usando la expresión matematica del sumador presentada en la sección 3.2, en el caso de dos módulos.

Figura 2: La variación del volumen principal al variar de la resistencia (o sea de la posición) del potenciómetro. Como se puede ver, es muy lineal.

2 - Notas de realización

Figura 3: El esquema del módulo principal de la mesa de mezcla audio.

La placa no presenta dificultades a la hora de realizarla, y tiene dimensiones 4cm x 7cm, es decir la dimension estándar de un módulo de la mezcladora. Para accelerar el enselblaje de la mesa de mezcla, o si faltara interés, es posible no soldar algunas partes de este circuito en la placa. Mas en especifico:

Diodo D_Z1: si omitido, el circuito no estará protegido contra las sovratensiónes.
Led de saturación D_L2: este led sirve solamente para indicar la saturación de la señal a la salida, tambien llamada clipping. Si esa función no es requerida, es posible no soldar C_L2, R_L2, D_L2, T₁.
Led de alimentación D_L1: ese led indica que el circuito está alimentado. Es posible no soldarlo, excluyendo tambien su resistencia R_L1.

3 - El diseño del módulo principal

Para poder entender el funcionamiento circuital, el módulo principal puede ser dividido en varios bloques, cada uno con su función especifica:

El circuito sumador;
El potenciómetro del volumen;
La tensión de polarización;
El led de saturación (clip);
El circuito de alimentación;

3.1 - El circuito sumador

El corazon de la mesa de mezcla es un circuito sumador, una de las muchas aplicacione comunes del amplificador operacional. Consideramos su forma original, en el caso de alimentación unica, enseñada en Figura 4.

Sumador con amplificador operacional con alimentación única

Figura 4: El esquema teorico de un sumador de tensiónes realizado con un amplificador con alimentación única.

La tensión Vcc/2 entra en el pin V+ y se suma a la señal audio en el pin V-, polarizandola. Esta tensión de polarización luego es bloqueada a la entrada y a la salida del circuito por parte de los condensadores de desacoplamiento C₁, C₂, C₃ y C_out. La equación del sumador es: $Latex: V_{OUT} = - R_{f} \cdot \left( \frac{V_1}{R_1} + \frac{V_2}{R_2} + \frac{V_3}{R_3} \right)$

Como puede verse, las ramas de cada tensión se unen en un unico punto A. La idea de la mesa de mezcla modular es mover los componentes de a cada rama (es decir C₁ y R₁, C₂ y R₂, C₃ y R₃, etc) en los módulos, de forma que una sola señal, llamada Señal en los esquemas electronicos, tenga que correr por todos ellos.

3.2 - El potenciómetro del volumen principal

Para poder regular el volumen general hace falta insertar un potenciómetro. Subsitutir la resistenca de realimentación R₁₈ con un potenciómetro non es una buena solucion, por muchas razones. Es mas recomendable insertar el potenciómetro entre el pin V- del operacional y las varias ramas procedentes de objetos distantes, como enseñado en Figura 5.

Sumador con potenciómetro de volumen a la entrada

Figura 5: La modificaciàon del circuito original del sumador para inluir un potenciómetro que regule el volumen de todos los canales de entrada. Con respeto al esquema teorico de sumador presentado antes, los nombres de los componentes ahora corresponden a los del proyecto efectivo.

Cuando el cursor del potenciómetro está hacia el pin 3, es decir cuando el volumen es maximo, la entrada del operacional está conectada directamente a las ramas 1, 2, 3, ecc, y entonces el circuito se porta exactamente como el sumador ideal enseñado antes en Figura 4. Ademas, hay que decir que la resistencia del potenciómetro entre sus pines 1 y 3 está a masa debido al pin V- del operacional, y por lo tanto es como si no existiera. Elegimos poner la ganancia del sumador α igual a 2, para compensar posibles perdidas en los módulos o bajas señales a la entrada del mezclador. Recordando la ecuacion del sumador, tenemos: $Latex: \alpha = \frac{R_f}{R_1} \leftarrow R_f=2 \cdot R_1$ Eligiendo por ejemplo R₁₈=47KΩ, resulta R₁₆=R₁₂=R₈=22KΩ

A cambio, cuando el cursor del potenciómetro está a masa, a la entrada del operacional no entra ninguna señal, y entonces la salida de la mesa de mezcla es nula. Por otro lado, la expresion exacta de la tensión de salida del sumador cuando el potenciómetro está en una posicion intermedia es bastente compleja, y se presenta solo en el caso de dos ramas, con referencia a la Figura 4: $Latex: V_{OUT} = & \frac{R_2 R_f R_x} {R_1 R_2 R_P + R_1 R_P R_x - R_1 R_x^2 + R_2 R_P R_x - R_2 R_x^2} \cdot V_1 + \\ & \frac{R_1 R_f R_x} {R_2 R_1 R_P + R_2 R_P R_x - R_2 R_x^2 + R_1 R_P R_x - R_1 R_x^2} \cdot V_2$ donde R_P es la resistencia maxima del potenciómetro y R_x es un valor entre 0 y R_P que representa la posicion del cursor con respeto a masa (es decir, la resistencia medida entre el pin 1 y 2 del potenciómetro). Como puede verse, la ganancia de cada tensión, por ejemplo V₁, depende también de las resistencias en las otras ramas, es decir R₁ y R₂. Eso significa, en general, que al añadir módulos a la mesa de mezcla, es decir al añadir ramas 4, 5, etc., la respuesta del potenciómetro cambia. En concreto, cuantos mas módulos se añaden, menos lineal está la regulacion del volumen, aun si la ganancia maxima y minima, como dicho antes, no cambian. Para minimizar la no linealidad del potenciómetro cuando se añaden módulos hace falta que su valor sea pequeño, por ejemplo 1KΩ

3.3 - La tensión de polarización Vcc/2

El operacional U3B es el corazón de la parte de circuito que genera la tensión de polarización Vcc/2 usada para polarizar las señales en toda la mesa de mezcla. El circuito se un sencillo amplificador búfer, y entonces: $Latex: V_{OUT} = V_{IN}$

Las resistencias R₂₁ y R₂₀ forman un divisor de tensión perfecto, ya que el pin V+ del operacional no absorbe corriente. Eligiendo R₂₁ = R₂₀, la tensión V_IN en el pin V+ del operacional vale la mitad de la tensión de alimentación Vcc. Entonces V_OUT vale Vcc/2.

La resistencia R₂₂ tiene que ser igual a la resistencia equivalente vista desde la entrada del búfer de tensión, es decir desde el pin V+. De esta manera se reduce el efecto negativo debido a las corrientes de polarización de los pines V+ y V-. Las razones de esta elección se pueden leer en la literatura y en la red: StackExchange: What is the purpose of a resistor in the feedback path of a unity gain buffer?. De esto consigue que: $Latex: R_{22} = R_{20} // R_{21} = 22K\Omega$

La ventaja en usar un circuito operacional para crear la tensión de polarización, en vez que un simple divisor de tensión, es que de esta manera Vcc/2 se genera por parte de una fuente ideal de tensión; los módulos de la mesa de mezcla pueden absorber corriente desde Vcc/2 sin afectarle. Dicho de otra forma, la tensión Vcc/2 del divisor de tensión está desacoplada del resto de los módulos.

Figura 6: El equivalente del condensador C₁₅ de bypass del rizado residuo de la alimentación, en el caso de corriente continua o alterna.

El condensador C₁₅ reduce el ruido eléctrico que procede desde la fuente de alimentación, como por ejemplo el rizado debido a la rectificación de la corriente alterna. De hecho, desde el punto de vista de una señal alterna el condensador es un corto circuito; las señales alternas son conectadas directamente hacia masa y no entran en el búfer de tensión. Por otro lado, para una tensión continua Vcc/2 el condensador es un circuito abierto, y entonces no tiene efecto alguno.

3.4 - El led de distorsión

El fin del led DL₂ es de encenderse cuando la señal de salida es demasiado alta, es decir cuando hay distorsión debida a un volumen demasiado alto. En términos eléctricos, el circuito, dicho también "clip", tiene que encender el led cuando la tensión de salida de la mesa de mezcla supera 1V. Para elegir ese nivel hay que considerar que la señal a la salida de la mesa de mezcla tiene nivel de linea, que puede ir a cualquier aparato electrónico de consumo (grabador, móvil, etc.). Al pesar de que existan convenciones internacionales, los valores típicos de la salidas audio de linea estan entre 0.5V y 1.7V, como mejor explicado en la pagina de Wikipedia sobre el tema. Un valor razonable es entonces 1V.

La base del transistor T1 está conectada directamente a la salida de la mezcladora audio. La tensión de umbral V_be vale, según el datasheet, alrededor de 0.7V. Eso significa que debajo de 0.7V el transistor no conduce. Ya que no hay ninguna resistencia en la base o en el colector del transistor, al superarse el umbral este satura y se comporta, desde el punto de vista del led, como un cortocircuito hacia masa; una corriente de 10mA (como se explicará luego) empieza a fluir en la rama hecha por la resistencia, el led y el transistor.

Asumiendo un hfe=120, la corriente en la base es: $Latex: I_{B}= \frac{I_{C}}{h_{FE}} = 83 \mu A$ es decir un valor muy bajo. Esto significa que la conexión de este simple circuito a la salida del operacional U3A no afecta a la señal audio (recordamos que el LM358 puede aportar como mucho 30mA o 40mA).

El calculo de la resistencia para poner en serie a un led es bien conocido en la literatura y en internet. Se puede escribir una ley de Kirkhoff de las mallas con la tensión del led V_LED, del transistor V_{CE sat} y de la resistencia V_RL2: $Latex: V_{LED}+V_{CE sat} + V_{RL2} = V_{CC}$ Que se vuelve: $Latex: V_{LED}+V_{CE sat} + I_{LED} \cdot R_{L2} = V_{CC}$ Y entonces: $Latex: R_{L2} = \frac{V_{CC}-V_{LED}-V_{CE sat}}{I_{LED}}$ En el caso de un led común y con los datos del transistor BC327, se puede poner V_CEsat=0.07V, Vcc=12V, I_LED=10mA, V_LED=2V, y se obtiene R_L2=1KΩ. Por ultimo, el condensador C_L2 vuelve mas constante y suave la respuesta del led.

3.5 - El circuito de alimentación

El led D_L1 está siempre encendido, ya que está conectado directamente a la alimentación, y sirve para indicar que la mesa de mezcla está alimentada. El calculo de la resistencia es parecido al explicado en la sección 3.4 sobre la señal de distorsión.

El diodo zener D_Z1 es una protección: ya que está conectado con polarización inversa, normalmente no conduce. Pero si la tensión de alimentación se pasa de los 28V, con el riesgo de que los circuitos integrados se quemen, el zener empieza a conducir, manteniendo la tensión de alimentación a 28V, aun si eso implica una corriente alta, entonces una situación poco recomendable.

Bibliografia y otros documentos

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