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domingo, 3 de mayo de 2015

Circuitos Útiles. 08. Afinador en "La" 440 Hz



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INDICE

¿Qué es y para que sirve un diapasón?
Esquema del diapasón o afinador electrónico
Cómo "programar" el divisor de frecuencias
Muy bonito el esquema pero... lo probamos en el protoboard
Lista de materiales
El PCB ya está hecho
Poner los componentes en el PCB: Un paseo en barca...
Lo probamos
Buscamos una caja o tupper para el afinador
Mecanizamos el tupper
Ponemos los elementos en el tupper
Prueba final
El vídeo




¿Qué es y para que sirve un diapasón?

Cuando vamos a afinar un instrumento musical, por ejemplo una guitarra, necesitamos una nota de referencia, una nota patrón, la cual nos servirá como tono base para afinar una de las cuerdas. Y a partir de ahí, con "oído musical", por intervalos, afinaremos el resto de cuerdas de la guitarra. También es cierto que hay afinadores digitales que facilitan la tarea.


[Fig 1] Nota "LA" 440 Hz
Esa nota de referencia, por tradición, resulta ser la nota "LA", y es la correspondiente al segundo espacio en el pentagrama, con clave de sol en segunda línea, según la notación musical moderna. 

Esa nota tiene una frecuencia de 440 Hz.



Vamos a obtener y reproducir esa nota con un sencillo circuito electrónico.

Esquema del diapasón o afinador electrónico


[Fig 2] Esquema del diapasón electrónico a 440 Hz



1) Cometido del circuito:


Este circuito debe entregar una señal de audio con una frecuencia de 440 Hz, frecuencia que deberá ser lo más exacta y estable posible. Esto se cumplirá usando un resonador de cuarzo. El nivel necesario de potencia de audio será reducido, pues sólo habrá que accionar un altavoz lo más pequeño posible. 

Funciona con una pila de 9v. Se acciona con un pulsador.


- En la parte izquierda del esquema (Fig 2) está el oscilador de 1 MHz
- El integrado IC2 es el divisor de frecuencia
- El integrado IC1 está diseminado por el esquema. Una parte de él se utiliza en el oscilador de 1 Mhz, la otra parte en el amplificador de audio.
- A la derecha, formado por Q1 y Q2, el amplificador de audio.


2) Tenemos un problema: No hay cristales para todas las frecuencias

Ya vimos en el TEB 15 que no se fabrican cristales de cuarzo para todas las frecuencias, y lo normal será que no los haya para la frecuencia que deseamos, 440 Hz en nuestro caso. Para conseguir nuestros 440 Hz usaremos un divisor de frecuencia (más adelante).



3) El oscilador a 1 Mhz


[Fig 3] Resonador de cuarzo de 1 MHz
Para empezar, tendremos que partir de una frecuencia para la cual exista un cristal de cuarzo en el mercado. No importa que esta frecuencia sea más elevada que los 440 Hz que necesitamos. La convertiremos a 440 Hz con un divisor de frecuencia 

Una buena elección será un resonador de 1 Mhz, que cuesta unos 50 céntimos.



El oscilador está en la parte izquierda del circuito Fig.2, y está formado por R1, R2, C1, C2, el resonador y dos puertas de las seis que contiene IC1: Un integrado CMOS que contiene seis puertas lógicas (inversoras). Esta variante de oscilador se conoce como "Pierce", y se utiliza como generador de pulsos en electrónica digital, es decir, para producir una señal de reloj.

La frecuencia de oscilación depende de los valores de R1, R2, C1 y C2, y los valores mostrados corresponden a una frecuencia de mas o menos 1 MHz. Sin el cuarzo, este oscilador no es estable: Su frecuencia varía según muchos factores. Añadiendo el resonador de 1Mhz, se consigue fijar la frecuencia en exactamente... 1MHz.

La señal generada por este oscilador es llevada al terminal de entrada (patilla 10) del circuito integrado IC2, un divisor de frecuencia del tipo 4040.


4) El integrado 4040, divisor de frecuencias. Cómo "programarlo"

El verdadero nombre de este circuito es 4040, pero a menudo viene acompañado por dos o tres letras iniciales, por ejemplo: CD4040, HCF4040... 

En cualquier caso, no os preocupéis: Se trata del mismo circuito y su patillaje es idéntico.

Este integrado es un divisor binario programable de 12 posiciones. Se puede alimentar desde 3 a 18v. Pin 16: Positivo, pin 8: Negativo (masa)

El 4040 divide la frecuencia que se haga llegar a su patilla 10 (entrada) y la entrega ya dividida (según lo hayamos programado) en su patilla 15 (salida).

Cómo programarlo:

Lo mejor, veamos nuestro caso:

Nota: Utilizaré la coma para separar los miles, y punto para los decimales.

- Frecuencia inicial, la que ponemos en pin 10: 1 Mhz (1,000,000 Hz)
- Frecuencia que necesitamos: 440 Hz

Para hallar el número que debemos aplicar a IC2 (para programarlo), dividimos 1,000,000 entre 440, y nos da: 2,272.7272727272...

Redondeamos por defecto a 2,272. Nota: Sería un poco más exacto redondear por exceso a 2,273, pero la diferencia es inapreciable y así nos ahorramos un diodo (lo veremos).

Comprobamos que, efectivamente, 1,000,000 / 2,272 = 440.140

Hay una diferencia de 0.14 Hz respecto a 440 Hz. Inapreciable...

Hay 12 pines en el 4040 que se usan para programarlo, son los siguientes:


[Fig 4] IC 4040, ejemplo de programación
Cada una de las doce patillas tiene un peso numérico. Según pongamos un diodo o no en esa patilla, ese peso será tenido en cuenta o no. Así, disponemos de un rango muy grande de números (desde 1 a 4095). Ese número resultante será el que use el 4040 para dividir. En nuestro caso ese número es 2,272

Ya veis, el 4040 se programa poniendo diodos en según qué patillas.

Para saber qué diodos tenemos que poner nos va a ser muy útil la siguiente tabla. El procedimiento es sencillo, pero os recomiendo que lo veáis en el vídeo, más claro y más dinámico que aquí en el blog.





Una tabla vacía por si la queréis imprimir para hacer pruebas:



[Fig 5] Tabla para programar el IC 4040

Y aquí la tabla cumplimentada para nuestro caso:


[Fig 6] Tabla con la programación de IC2. Hay que poner cuatro diodos. Pines: 1, 2, 4 y 13

¿Cómo he cumplimentado la tabla anterior?:

- COLUMNA PIN 1: Pongo 2272 en "Dividir". Compruebo que puedo restarle el valor "2048" de "peso" sin que el resultado sea negativo: Afirmativo. Pongo el valor de la resta en "Resta" que es 224. Especifico "Sí" en "Poner diodo"

- COLUMNA PIN 15: Traslado a "Dividir" el valor de "Resta" de la columna anterior (224). Compruebo si puedo restarle el valor "1024" de "peso" sin que el resultado sea negativo: Falso: Especifico "No" en "Poner diodo".

- COLUMNA PIN 14: Como la columna anterior fue "Falso", traslado a "Dividir" el mismo valor que en la columna anterior (224). Compruebo si a "Dividir" puedo restarle el valor 512 de "peso" sin que el resultado sea negativo: Falso: Especifico "No" en "Poner diodo".

- COLUMNA PIN 12: Como la columna anterior fue "Falso", traslado a "Dividir" el mismo valor que en la columna anterior (224). Compruebo si a "Dividir" puedo restarle el valor 256 de "peso" sin que el resultado sea negativo: Falso: Especifico "No" en "Poner diodo".

- COLUMNA PIN 13: Como la columna anterior fue "Falso", traslado a "Dividir" el mismo valor que en la columna anterior (224). Compruebo si a "Dividir" puedo restarle el valor 128 de "peso" sin que el resultado sea negativo: Afirmativo: Pongo el valor de la resta en "Resta" que es 96. Especifico "Sí" en "Poner diodo"

- COLUMNA PIN 4: Como la columna anterior fue "Afirmativo", traslado a "Dividir" el valor "Resta" de la columna anterior (96) en vez del valor "Dividir" (224). Compruebo si a "Dividir" puedo restarle el valor 64 de "peso" sin que el resultado sea negativo: Afirmativo: Pongo el valor de la resta en "Resta" que es 32. Especifico "Sí" en "Poner diodo"

- COLUMNA PIN 2: Como la columna anterior fue "Afirmativo", traslado a "Dividir" el valor "Resta" de la columna anterior (32) en vez del valor "Dividir" (96). Compruebo si a "Dividir" puedo restarle el valor 32 de "peso" sin que el resultado sea negativo: Afirmativo: Pongo el valor de la resta en "Resta" que es 0. Especifico "Sí" en "Poner diodo". Al obtener el valor cero en la resta, hemos terminado. Pondremos en las siguientes columnas "No" en "Poner diodo".

Una vez cumplimentada la tabla, ya sabemos qué diodos tenemos que poner. En nuestro caso son cuatro diodos: Patillas 1, 2, 4 y 13. Según el esquema hay que unir todos sus ánodos haciendo llegar esta unión a la patilla 11 (reset) del 4040. Esto le servirá al 4040 para saber cuándo tiene que iniciar la cuenta para entregar un impulso en la patilla 15 (salida) cada 2272 impulsos en la patilla 10 (entrada).

Aquí tenéis el datasheet de este circuito 4040


5) Amplificador de audio


La potencia de audio entregada por el integrado 4040 es insuficiente para mover un pequeño altavoz a un nivel suficiente, ya que se trata de un circuito lógico, no de potencia; pero no será necesaria mucha amplificación: Una sola etapa de potencia formada por los dos transistores Q1 y Q2 trabajando como complementarios amplificaran sobradamente la señal desde la patilla 15 del 4040 hacia el altavoz.

Se ha omitido poner regulación de volumen por razones prácticas: menos gasto, peso, volumen, complicación, probabilidad de fallos... a fin de cuentas el diapasón se usa por unos segundos y su volumen es adecuado.


Los transistores utilizados, BC550 y su complementario BC560, son sobradamente conocidos, muy fáciles de obtener y económicos.



Muy bonito el esquema pero... lo probamos en el protoboard

En esta división de vídeos "Circuitos Útiles" tengo por norma obligada un hecho: Los circuitos tienen que estar probados antes de publicarlos. Serán muchos o serán pocos los circuitos en esta serie, pero los que sean... funcionan. Espero que con el tiempo esta lista se haga bien extensa y sea un lugar de donde fiarse a la hora de hacer un montaje. Así que... prueba en protoboard antes de hacer el montaje.


[Fig 7] Probando el diapasón en el protoboard. Funciona



Lista de materiales

Este es un proyecto bastante en la línea low-cost. Los materiales son pocos y nada costosos. Los enumero:


[Fig 8] Componentes para el PCB


R1 Resistencia 10 MΩ (10.000.000 Ω) Marrón-negro-azul
R2        "         1KΩ (1000 Ω) Marrón-negro-rojo
R3        "         10KΩ (10.000 Ω) Marrón-negro-naranja
R4        "         22Ω Rojo-Rojo-Negro
R5 Igual que R4
Todas las resistencias de 1/8w. Si son de más potencia no pasa nada... excepto que ocupan más espacio y son más caras.
C1 Condensador cerámico de 22pf 63v
C2 Trimmer (condensador ajustable) de 22pf
C3 Condensador electrolítico 100µf 16v
C4 Igual que C3
Q1 Transistor BC550
Q2 Transistor BC560
IC1 Circuito Integrado 4049
IC2 Circuito Integrado 4040
AV Pequeño altavoz
PUL1 Pulsador (Mejor que un interruptor)
XTAL Resonador de 1Mhz
1 Portapilas 9v
1 pila 9v


[Fig 9] Resto de componentes



El juego cuádruple de tornillería es para fijar el PCB a la caja:

- 4 tornillos: Largo 18 mm, métrica 3
- Separadores plástico 10 mm de largo. Diámetro interno 3-4 mm
- 4 tuercas para tornillo de métrica 3.


Las arandelas no han hecho falta.

El separador es de 10 mm de largo, pero esto puede variar según las dimensiones del pulsador que elijas


[Fig 10] Tornillería para sujetar el PCB a la caja. Las arandelas no hicieron falta.





El PCB ya está hecho


[Fig 11] PCB para el afinador

El TEB 15 (Tutorial de Electrónica Básica Capítulo 15) está dedicado a dos métodos de fabricación de circuitos impresos (PCB), y allí se hizo como práctica el PCB que necesitamos en este montaje. 

Si no viste ese vídeo, aquí lo tienes (minuto 20:19):

Cómo hacer el PCB para el afinador







NOTA: El PCB tiene tres errores en el diseño de cuando lo hice en el vídeo del tutorial de electrónica básica, capítulo 15, pero en el blog de ese vídeo ya están subsanados los errores. Podéis tomar como referencia válida la Fig.31 de ese blog conteniendo el diseño del PCB libre de errores




Poner los componentes en el PCB: Un paseo en barca...

Vamos a poner los componentes en el PCB, que se supone ya está terminado.

Ahora se pone de manifiesto la ventaja de un PCB "como mandan los cánones": Será una tarea sumamente fácil y con poca probabilidad de equivocarse.

Es habitual comenzar soldando primero los componentes más robustos y terminar con los más delicados:

1) Resistencias, condensadores, el pulsador, puentes (jumpers)
2) Semiconductores: Diodos, transistores e integrados.

Soldaremos primero el pulsador, pues ningún otro componente debe sobresalir más que él, ya que debe asomar al exterior de la caja para poder ser accionado.

El procedimiento para cada componente: Hacemos pasar sus terminales por los pads correspondientes. Ojo a la polaridad o posición (cuando la haya). Ahora nos viene muy bien el momento que dedicamos a serigrafiar el PCB. Doblamos un poco los terminales del componente para que no se caiga y soldamos. Cortamos los terminales sobrantes con alicates de corte.



Lo probamos

Antes de hacer el montaje definitivo en la caja, lo probamos. Ponemos la pila de 9v, el altavoz, y accionamos el pulsador.



Buscamos una caja o tupper para el afinador


[Fig 12] Caja  (Tupper) para el diapasón

He buscado una caja lo más ajustada posible. Me hubiera gustado una más pequeña pero no encontraba nada a la medida exacta

El altavoz no tiene porqué ser grande ni potente, todo lo contrario: Cuanto más reducido sea tu tamaño, más pequeño y portable será el afinador.







Mecanizamos el tupper

He usado una taladradora miniatura para hacer en la caja la abertura para el pulsador. El altavoz lo he fijado en un lateral con pegamento. He realizado un taladro, centrado con el altavoz, para dejar salir el sonido.


El circuito lo vamos a fijar a la caja (mejor que a la tapa) usando la tornillería de la figura 10.

[Fig 13] Detalle de la sujeción del PCB a la caja



Ponemos los elementos en el tupper


Fijamos el PCB a la caja con cuatro pequeños tornillos de 3mm diámetro y unos 18mm de largo, aunque el largo de este tornillo dependerá del tamaño del pulsador que vayas a utilizar. En mi caso lo idóneo eran tornillos de 18 mm y separadores de 10 mm (ver figura 13 anterior). 

Fijamos el altavoz a la caja pegándolo con un buen pegamento.

Para evitar que la pila quede suelta la fijaremos con velcro a la tapa.

Cerramos el tupper.

Equipo terminado.



Prueba final

Cada vez que pulsemos el botón, sonará la nota "LA" a 440 Hz.

En el vídeo se afina una guitarra de forma real usando este diapasón o afinador electrónico.
[Fig 14] Afinando una vieja y olvidada guitarra con el diapasón


El vídeo



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4 comentarios:

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  3. Hola Jose Manuel...... Son diodos Zener??? de cuanto son???

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