Ecualizador de Audio de 3 Canales Desarrollado por Gabriel Dantas.
Este artículo fue escrito por un principiante para principiantes en electrónica. Mi nombre es Gabriel, y estoy estudiando Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Brasilia (actualmente en mi quinto semestre). El objetivo es compartir mi proceso de aprendizaje y errores mientras construía un ecualizador barato y simple – mi primera experiencia con filtros analógicos.
Es importante señalar que no se trata de un dispositivo de audio de alta fidelidad, sino de comprender los fundamentos de los filtros de audio y sus aplicaciones. Fue un proceso difícil pero increíblemente gratificante para mí como estudiante.
Además, este proyecto se resumió en un vídeo de 2 minutos y 40 segundos que encontrarán al final del texto. Además, me gustaría dar las gracias a Gabriel S. Vera por revisar el inglés de este texto.
El texto está organizado como sigue:
1. Diseño del Ecualizador
1.1 Filtros Analógicos
Para entender cómo funciona un ecualizador, es esencial saber qué son los filtros analógicos y cómo funcionan. Un filtro analógico es un circuito que procesa señales eléctricas para atenuar o permitir ciertos rangos de frecuencia. Se construye utilizando componentes como resistencias, condensadores, inductores y amplificadores operacionales.
1.1.1 Clasificación
1.1.1.1 Topología
En este proyecto, utilizaremos los tres filtros más comunes:
- Filtro Paso Bajo: Permite pasar las frecuencias bajas y atenúa las altas (se utiliza como potenciador de graves);
- Filtro Paso Alto: Permite pasar las frecuencias altas y atenúa las bajas (se utiliza como potenciador de agudos);
- Filtro Paso Banda: Permite un rango específico de frecuencias y atenúa las demás (se utiliza como potenciador de medios).
La idea de un ecualizador es combinar estos filtros en una sola señal y permitir que su ganancia sea ajustable. De este modo, podemos controlar la atenuación o amplificación de las frecuencias bajas, altas y medias.
1.1.1.2 Filtros Activos y Pasivos
Ahora que ya sabemos qué son los filtros, tenemos que elegir entre filtros activos y pasivos.
Los filtros activos incluyen componentes activos como amplificadores operacionales (op-amps), transistores u otros dispositivos activos, junto con resistencias y condensadores. Requieren una fuente de alimentación externa y pueden amplificar señales, proporcionar una mejor adaptación de impedancias y permitir un control más preciso de la respuesta en frecuencia.
Los filtros pasivos se construyen utilizando sólo componentes pasivos como resistencias, condensadores e inductores. No necesitan una fuente de alimentación externa y no pueden amplificar señales. Sin embargo, los inductores pueden hacerlos voluminosos y sensibles a las interferencias electromagnéticas.
Para reducir las interferencias electromagnéticas, decidí montar mi proyecto utilizando filtros activos.
1.1.1.3 Orden del Filtro
Basándonos en esto, ahora tenemos que decidir el orden de nuestro filtro.
El orden de un filtro se refiere al número de componentes reactivos (condensadores o inductores) que determinan la respuesta en frecuencia del filtro. Afecta directamente a la pendiente de atenuación más allá de la frecuencia de corte. Esto es muy importante a la hora de diseñar filtros, ya que determina la rapidez con la que el sistema cortará una gama de frecuencias específica.
Sin embargo, como estamos montando un ecualizador de tres canales, no es necesario que el orden del filtro sea alto. Dado que sólo tenemos tres bandas con una gama de frecuencias relativamente amplia, un filtro de primer orden será más que suficiente para separar las frecuencias bajas, altas y medias.
1.1.2 Frecuencia de Corte
Para montar los filtros, elegí una topología de primer orden, que es una de las más conocidas y es exactamente la que aprendí en la universidad cuando empecé a pensar en este proyecto.
1.1.2.1 Valores Teóricos
A continuación, presento filtros paso bajo, paso alto y paso banda que utilizan esta topología, junto con las ecuaciones para determinar cada frecuencia de corte y ganancia. Estas ecuaciones se pueden derivar mediante el cálculo de la función de transferencia del filtro.
1.1.2.2 Simulaciones LT Spice
Basándome en las ecuaciones, calculé las frecuencias de corte deseadas para cada filtro y analicé visualmente el gráfico en el software LTspice. Hice pequeños ajustes en los valores de los condensadores para afinar las frecuencias de corte de modo que los tres filtros ocuparan visualmente sus respectivas bandas. A continuación, también se muestran las curvas de respuesta simuladas de cada filtro.
Las frecuencias de corte seleccionadas pueden observarse en la imagen.
1.1.3 Ganancia
1.1.3.1 Suma de Canales
Así pues, sumé las tres señales utilizando un amplificador sumador inversor y ajusté el peso de cada señal para suprimir los efectos de los solapamientos naturales entre las curvas de los filtros. Para ello, probé los valores que daban como resultado la señal más plana posible.
Y este fue el espectro resultante:
El resultado parecía suficientemente plano para garantizar una cobertura uniforme de cada banda de frecuencias.
1.1.3.2 Simulación del Ecualizador
Ahora podemos simular esta etapa para ver si el comportamiento se aproxima a lo esperado.
Empecemos por reducir la ganancia del filtro pasa-bajo, lo que significa atenuar las frecuencias bajas. Observa que, basándonos en las ecuaciones de ganancia presentadas anteriormente, podemos ajustar esta amplitud variando el valor de la resistencia R1. La salida resultante se muestra a continuación:
Ahora, atenuemos las frecuencias altas:
Por último, atenuemos las frecuencias medias:
Basándome en estos resultados, me sentí seguro de que, siendo un ecualizador que utiliza filtros de primer orden, el diseño era totalmente funcional.
1.2 Amplificador Operacional
Llegados a este punto, era esencial elegir el amplificador operacional que utilizaría. Tenía muchos amplificadores LM741 en casa, así que, como primera opción, decidí utilizarlos. Sin embargo, tras investigar un poco, descubrí que este modelo de amplificador es demasiado ruidoso para aplicaciones de audio, lo que me motivó a buscar otras opciones.
Después de leer algunas discusiones en foros de pedales de guitarra DIY, descubrí que las dos opciones más utilizadas eran el NE5532 y el TL072. Mi elección fue lo más sencilla posible: Elegí el que mi tienda de electrónica favorita tenía en stock, que era el TL072. Para mi alegría, eran extremadamente asequibles. A diferencia del LM741, el TL072 contiene dos amplificadores operacionales en su interior, lo que me pareció una forma excelente de ahorrar espacio en el montaje final.
Después de analizarlo con mi profesor de Circuitos Eléctricos (gracias, Leonardo R.A.X.), llegamos a la conclusión de que el TL072 por sí solo no sería capaz de proporcionar suficiente potencia para accionar altavoces o auriculares.
Por lo tanto, era necesario añadir también un amplificador de potencia. Como se trata de un proyecto básico y de bajo coste, determiné que el LM386 sería más que suficiente. Este chip es un amplificador operacional de potencia de bajo coste comúnmente utilizado en aplicaciones básicas de audio, como altavoces de teléfonos y portátiles.
Después de analizar la hoja de datos del LM386 proporcionada por Texas Instruments, seleccioné la topología recomendada para conseguir una ganancia de 20. Esta topología incluye un potenciómetro de 10 kΩ, que se utiliza para ajustar la ganancia aplicada a la señal:
Combinando todo lo discutido hasta ahora y añadiendo potenciómetros para ajustar las amplitudes de nuestros filtros, nuestro ecualizador en esta fase tiene este aspecto:
1.3 Buenas Prácticas para Diseñar un Ecualizador
El esquema final, tras la aplicación de algunas mejoras que se explican en este apartado, se muestra en la siguiente imagen:
1.3.1 Reducción de Ruido
Tras leer varios artículos y tutoriales en Internet, me di cuenta de que una de las principales preocupaciones en las aplicaciones de audio es la prevención y el tratamiento del ruido. Esto es crucial porque pequeños cambios pueden mejorar notablemente la experiencia auditiva.
Además, al utilizar el LM386 para la amplificación de potencia, no sólo estamos amplificando la señal de los filtros, sino también cualquier ruido presente en el circuito. Por lo tanto, esto debe ser considerado cuidadosamente.
Para solucionarlo, apliqué las siguientes medidas:
Resistencias de Retroalimentación en el TL072: También decidí colocar resistencias de 100Ω en cada línea de retroalimentación del TL072. Cuando un amplificador operacional cambia de estado rápidamente, es común tener picos de corriente en el bucle de realimentación. Además de generar ruido, esto también puede acortar la vida útil del chip. Estas resistencias de 100Ω ayudan a proteger los transistores internos del amplificador operacional de estos efectos.
Conexión a tierra adecuada: Es esencial planificar cuidadosamente cómo se conectará a tierra el circuito; de lo contrario, será más susceptible de captar ruidos externos. Deben evitarse los trazos de tierra grandes y finos, ya que pueden actuar como antenas y hacer que el circuito capte interferencias de radiofrecuencia, por ejemplo. Es preferible utilizar una toma de tierra uniforme y plana.
Condensadores de desacoplo: Son condensadores convencionales que se colocan entre la fuente de alimentación y tierra para reducir las oscilaciones de alta frecuencia de la fuente de alimentación. En otras palabras, actúan como filtros de paso bajo. Cuando se colocan lo más cerca posible de los amplificadores operacionales, ayudan a mantener una fuente de alimentación estable, asegurando que nuestros amplificadores operacionales funcionen a tensiones aproximadamente constantes. Esto reduce el ruido que se escucha en los auriculares.
1.3.2 Fuente de Alimentación Simétrica
Aunque no se menciona explícitamente, también es crucial utilizar una fuente de alimentación simétrica bien estructurada. Esto evita que la fuente de alimentación se comporte de forma indeseable y mantiene la tensión de salida lo más estable posible. Hablaremos de ello con más detalle en una sección posterior.
1.3.3 Señal Entrada/Salida del Ecualizador
Además, para facilitar la salida de la señal de audio, decidí utilizar tomas de audio P2. Para simplificar el proyecto, diseñé mi ecualizador para que fuera mono, es decir, que el sonido del canal izquierdo fuera el mismo que el del canal derecho. Para conseguirlo, tuve que fusionar los canales izquierdo y derecho del jack.
No se recomienda una conexión directa porque las salidas de los dispositivos de audio pueden interferir entre sí, causando distorsión o incluso daños en el circuito. Para solucionar este problema, coloqué resistencias de 1 kΩ en cada canal antes de fusionarlos. Sin embargo, este paso no es necesario para la toma de salida.
1.4 Fuente de Alimentación Simétrica
Para alimentar nuestros amplificadores operacionales, comprobé las hojas de datos de TL072 y LM386 y descubrí que funcionan bien a ±12 V. Al principio de este proyecto, todavía no había construido mi fuente de alimentación simétrica, y fue uno de los últimos pasos en los que trabajé.
Durante la fase de pruebas y montaje en la protoboard, alimenté el circuito utilizando la fuente de alimentación DC Agilent E3631A. La necesidad de construir una fuente de alimentación simétrica surgió porque me resultaba incómodo depender de la alimentación del laboratorio de mi universidad. Por lo tanto, traté de entender cómo funciona una fuente de alimentación simétrica y sus etapas principales (ya que aún no había tratado este tema en mi asignatura).
Tras leer varios artículos, quedó claro que una fuente de alimentación simétrica consta de cuatro etapas principales:
- Transformador: Reduce la tensión de red a 12 V AC en mi caso. Debe tener una toma central para generar dos tensiones simétricas;
- Rectificación: Convierte la corriente alterna (AC) en corriente continua (DC) pulsante. Utiliza cuatro diodos en una configuración de puente rectificador para garantizar que se utilizan las dos mitades del ciclo de AC;
- Filtrado: Los condensadores suavizan la tensión rectificada, reduciendo el rizado y haciéndola más estable;
- Reguladores de tensión: Regulan y estabilizan las tensiones de salida. He utilizado el LM7812 para regular la tensión positiva (+12 V) y el LM7912 para regular la tensión negativa (-12 V).
Conociendo esto, seguí este tutorial para ensamblar y diseñar la fuente de alimentación simétrica. La figura siguiente incluye las tres últimas etapas mencionadas y representa la topología que utilizaremos en nuestro circuito. Recuerde que el transformador se omite en la figura.
Con la fuente de alimentación, concluimos el diseño esquemático del ecualizador. Basándonos en lo presentado, esperamos obtener un circuito modesto, de bajo coste y funcional.
2. Construcción del Ecualizador
2.1 Prototipo Breadboard
Antes de montar la placa de circuito impreso, consideré esencial probar mi circuito en una protoboard para hacerme una idea de cómo funcionaría el ecualizador. De este modo, podría hacer los ajustes necesarios antes de finalizar el diseño.
2.1.1 Ensamblado
Para esta fase, tuve el sporte de mi compañero de clase Kelvin E. Neiva, que se unió a mí para montar el circuito en la protoboard.
Aunque se trata de una fase práctica, es fundamental realizar todas las conexiones con cuidado y probar el circuito a medida que se construye. Tras una larga tarde de montaje, el prototipo tenía este aspecto:
Observa que mientras nuestro esquema utiliza dos TL072 y un LM386, nuestro prototipo utiliza más. Esto se debe a que encontré el circuito demasiado estrecho, lo que me llevó a asignar un TL072 para cada filtro y uno para el amplificador sumador, totalizando cuatro TL072 y un LM386. Este cambio se hizo únicamente para simplificar el montaje en la protoboard.
Además, para conseguir los valores calculados de capacitancia y resistencia, tuve que hacer algunas aproximaciones y combinar condensadores disponibles en mi tienda de electrónica favorita. Lejos de ser lo ideal, tuve que utilizar condensadores electrolíticos en algunas partes del circuito por problemas de disponibilidad. Estos condensadores, además de estar polarizados, tienen altas tolerancias, lo que puede alterar ligeramente la función de transferencia de los filtros. Por lo tanto, te animo a que des prioridad a los condensadores de película, que son más adecuados para aplicaciones de audio.
2.1.2 Resultados Breadboard
Es importante tener en cuenta que la calidad de sonido del ecualizador en la protoboard tiende a ser significativamente inferior y más ruidosa en comparación con la versión de PCB. Esto se debe a que la presencia de puentes, cables largos, superficies oxidadas y conexiones a tierra débiles aumentan significativamente el ruido del circuito.
Debido a la limitada conexión a tierra de la protoboard, mi prototipo captó ondas de radiofrecuencia, lo que me permitió escuchar una emisora de radio local. Esto pone de manifiesto la importancia de una buena conexión a tierra.
A pesar de estas consideraciones, el ecualizador funcionaba y estaba listo para pasar al montaje de la placa de circuito impreso.
2.2 Prototipo PCB
2.2.1 Diseño PCB
Era la primera vez que desarrollaba una PCB, así que tuve que aprenderlo todo desde cero. Tras investigar las mejores herramientas de diseño de PCB, me decidí por KiCad. Lo elegí porque la comunidad era muy activa y el software era FOSS (software libre y de código abierto).
Con esto en mente, aproveché el tiempo que pasaba yendo a la universidad en metro para leer KiCad Like a Pro – 3ª edición, de Peter Dalmaris. Esto me proporcionó una base sólida para empezar a diseñar.
Me llevó decenas de intentos llegar a una versión que me satisficiera de verdad. Como mi objetivo era hacer una PCB casera, tuve que tomar las siguientes decisiones:
- Una sola capa de cobre: Esto simplificaría el proceso de fabricación de la placa de circuito impreso. Solo tendría que preocuparme de una cara de la placa, evitando vías y posibles complicaciones;
- Anchura de las trazas: Decidí utilizar trazas de 1 mm. Puede parecer ancho, pero preferí pecar de precavido, sobre todo porque era la primera vez que hacía una PCB casera;
- Conexión a tierra: Como ya se ha dicho, la conexión a tierra es crucial en las aplicaciones de audio para evitar ruidos e interferencias. Por ello, adopté un plano de tierra, que consiste en utilizar todo el espacio restante de la placa de circuito impreso para las conexiones a tierra. Este método reduce la impedancia de tierra, minimizando el ruido y mejorando la integridad de la señal, especialmente en circuitos de alta frecuencia.
Tras aplicar estas medidas, mi diseño de PCB tenía este aspecto:
Una vez más, debido a problemas de disponibilidad, tuve que utilizar condensadores electrolíticos en algunas partes del circuito y hacer algunas aproximaciones, lo que dista mucho de ser ideal. Prioriza siempre los condensadores de película para aplicaciones de audio.
2.2.2 Ensamblado PCB
Para fabricar y montar la placa de circuito impreso, utilicé el método de transferencia de tóner seguido de grabado de cobre con cloruro férrico.
Si te interesa entender cómo funciona este proceso, tenemos un tutorial en Electroagenda (link). Por lo tanto, seré breve.
El primer paso fue imprimir mi circuito en papel fotográfico y transferir la tinta de tóner a la placa fenólica revestida de cobre utilizando una plancha:
Después de calentar la superficie durante unos 10 minutos, la dejé enfriar y retiré el papel frotándolo con agua tibia:
Tras retirar todo el papel, corté el tablero y lijé los bordes para mejorar el acabado:
Una vez hecho esto, llegó el momento de grabar la superficie de cobre con cloruro férrico. Recomiendo usar guantes para evitar accidentes.
Después de esperar unos 20 minutos, el cobre estaba completamente grabado. Una vez guardada la solución de cloruro férrico, recomiendo neutralizar cualquier resto de ácido en el recipiente con una solución de bicarbonato sódico. Esto evita reacciones no deseadas al lavar el recipiente.
Una vez grabada la placa, el siguiente paso era taladrar los agujeros. Seleccioné la broca más pequeña que tenía y taladré cuidadosamente cada agujero:
Una vez taladrados todos los agujeros, llegó el momento de soldar los componentes. Para garantizar unas buenas conexiones, utilicé abundante flux. Después, limpié la placa con alcohol isopropílico y comprobé todas las conexiones con un multímetro. Por fin, la placa estaba lista:
2.3 Ensamblado del Ecualizador
Para alimentar el circuito, aún tenía que instalar el transformador de 12 V. Para que todo fuera seguro y práctico, decidí montar tanto el transformador como la placa de circuito impreso sobre una base de madera:
Por fin, el ecualizador estaba completo, sólo quedaba la prueba final:
3. Resultados y Conclusiones del Ecualizador DIY
En comparación con el prototipo, el ruido se redujo considerablemente y el ecualizador dejó de captar ondas de radiofrecuencia, lo que indica que mi conexión a tierra era eficaz.
Lo probé con un altavoz de 8 Ω y con unos auriculares de 16 Ω. Personalmente, preferí el sonido del altavoz de 8 Ω: me pareció más claro y ligeramente más vibrante. Además, en ambos dispositivos, pude notar claramente la diferencia entre graves, medios y agudos.
Dado que el LM386 es un chip de bajo coste diseñado para aplicaciones sencillas, aumentar demasiado su ganancia también incrementaba significativamente el ruido audible. Para conseguir una buena calidad de audio, era necesario equilibrar el volumen de la música con la ganancia del ecualizador.
Con este artículo, espero haber compartido tanto mis ideas como mis errores para que otros puedan beneficiarse de la experiencia y quizás incluso mejorar el proyecto.
No dudes en sugerir correcciones y mejoras del montaje. ¡Todo intercambio de conocimientos es bienvenido!
Anexo 1. Lista de Materials
| Descripción | Referencia Valor | Cantidad |
| Electrolytic Capacitor | 0.47u | 1 |
| Electrolytic Capacitor | 10u | 1 |
| Electrolytic Capacitor | 1000u | 2 |
| Electrolytic Capacitor | 220u | 1 |
| Electrolytic Capacitor | 33u | 1 |
| Polyester Capacitor | 33n | 2 |
| Polyester Capacitor | 10n | 2 |
| Polyester Capacitor | 680n | 1 |
| Polyester Capacitor | 68n | 1 |
| Polyester Capacitor | 100n | 7 |
| Polyester Capacitor | 47n | 1 |
| Diode | 1N4007 | 4 |
| Jack Socket | 3.5mm | 2 |
| Terminal Block | 3P | 1 |
| Resistor | 1K | 11 |
| Resistor | 1.2K | 1 |
| Resistor | 10k | 3 |
| Resistor | 100 | 4 |
| Resistor | 10 | 1 |
| Operational Amplifier | TL072 | 2 |
| Operational Amplifier | LM386 | 1 |
| Regulator | 7812 | 1 |
| Regulator | 7912 | 1 |
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