Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA UNIDADE DE ENSINO DE SÃO JOSÉ DOS CAMPOS CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA II AGDA ALOHA PRAZERES DA SILVA aloha.agda@gmail.com SJ3000214 Amplificadores de Áudio São José dos Campos, 2020 1 1. Introdução A função de um amplificador é amplificar um sinal elétrico recebido, ou seja: ampliar a potência do som, salvo exceções. Isto é, não adianta possuir um amplificador de 100 watts RMS por canal, sendo que seu falante suporta apenas 50 watts. [1] Este é um detalhe muito importante, pois não adianta ter um emissor de sinal alto (no nosso caso, o amplificador), sendo que o receptor suporta apenas 50% do sinal total emitido, como no caso citado acima. [1] Os amplificadores de fonte chaveada são divididos em classes, e as mais utilizadas no mercado automotivo são: A, B, AB e D. [1] 2. Revisão bibliográfica 2.1 Classe A São amplificadores muito pouco eficientes, pois têm um consumo de energia muito alto (assustador, mesmo!) e alto fator de aquecimento. Suas características são: baixa distorção, alta fidelidade e baixo rendimento. [1] Em uma classe A de emissor-comum, o resistor de emissor deve ser mantido tão pequeno quanto possível. Assim, a perda de potência no circuito de polarização é minimizada. Este resistor de emissor também deve manter a estabilidade do ponto Q. [2] Em uma classe A, a eficiência de operação dobra quando usamos um indutor no lugar do resistor no circuito CC do coletor. Conforme a potência na carga aumenta, a potência (dissação) no coletor diminui, porém, a soma de ambas é a mesma. [2] A eficiência máxima obtida com a operação de amplificação em classe A é de 50%. Isto porque o valor de pico da corrente CA de coletor nunca ultrapassa o valor da corrente quiescente (do ponto Q). [2] 2.2 Classe B Este tipo de amplificador é pouco usado, e não muito indicado para sistemas de áudio, pela baixa qualidade de amplificação de sinais de baixa e, consequentemente, um alto nível de distorção. [2] 2 Em amplificador de potência classe B, a corrente cc de coletor é menor que o valor de pico da corrente ca. Assim, existe menor dissipação no coletor e a corrente aumenta. A classe B na configuração push-pull tem eficiência máxima de 78,5%. Isto corresponde a uma melhoria de 28,5% em relação ao amplificador de potência classe A. [2] Em classe B, o efeito conhecido como distorção de cruzamento (ou crossover) ocorre porque a tensão vBE é nula quando não há sinal aplicado. A operação linear do transistor só começa quando iB é suficientemente positiva para que vBE ultrapasse o limiar de condução (supondo ser de 0,65V para o silício).Como cada transistor opera de modo simétrico e apenas durante metade do tempo, basta estudar o funcionamento de um deles. Para eliminar a distorção de cruzamento, as junções base-emissor são polarizadas em aproximadamente 0,65V. Como resultado, temos um funcionamento em classe AB. [2] 2.3 Classe AB Este amplificador é a fusão do que há de melhor no Classe A (no caso, baixa distorção) e o melhor do Classe B (que é o menor consumo de energia). Levando- se em conta estes dois fatores, temos um amplificador com um consumo menor de energia que o Classe A e uma menor distorção que o Classe B. Esta categoria de amplificadores é responsável por 95% dos produtos que estão no mercado. [1] A estrutura desse amplificador é mostrada na Figura 1 abaixo. Figura 1. Amplificador AB FONTE: [4] 3 2.3.1 A tensão de alimentação do circuito AB O primeiro parâmetro importante é sabermos o valor da tensão de alimentação mínima do circuito (Vccmin). Para isto precisa-se saber os valores de tensões máximos queserão aplicados no circuito. Analisando o esquemático da Figura 1, observa-se que o caminho de tensão (série máximo) deve levar em conta os parâmetros da Equação 1 abaixo: 𝑉𝑐𝑐𝑚𝑖𝑛 = 𝑉𝑅4𝑚𝑖𝑛 + 𝑉𝑏𝑒𝑄1 + 𝑉𝑏𝑒𝑄3 + 𝑉𝑅𝐿𝑝𝑝 + (𝑉𝑅3 + 𝑉𝑅6)𝑚𝑖𝑛 Equação 1 Onde VRLpp é calculado pela Equação 2. 𝑉𝑅𝐿𝑝𝑝 = √𝑃𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑆𝑎í𝑑𝑎 ∗ 𝐼𝑚𝑝𝑒𝑑â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑆𝑎í𝑑𝑎 ∗ 2 √2 Equação 2 2.3.2 Cálculo de R4 Para calcular R4, deve-se calcular a corrente de pico em Q1 e Q3 conforme as equações abaixo. 𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜𝑅𝐿 = 𝑉𝑃𝑃𝑅𝐿 2 𝑅𝐿 Equação 3 Utilizando a lei das malhas encontra-se a Equação 4. 𝑉𝑅4𝑚á𝑥: 𝑉𝐶𝐶 − (𝑉𝑃𝑅𝐿 + 𝑉𝐶2 + 𝑉𝐵𝐸𝑄1) Equação 4 Para encontrar a corrente sobre esse resistor tem-se a Equação 5. 𝐼𝑅4𝑚á𝑥 = 𝐼𝑝𝑖𝑐𝑜𝑅𝐿 / 𝛽𝑄1 Equação 5 E por fim a Equação 6 para calcular a resistência de R4. 𝑅4 𝑚á𝑥 = 𝑉𝑅4𝑚á𝑥/𝐼𝑅4𝑚á𝑥 Equação 6 4 2.3.3 Cálculo de R3 e R6 (análise DC) Primeiro é preciso calcular o valor da impedância de realimentação (R3 + R6) por meio da Equação 7. 𝑅3 + 𝑅6 = (𝑉𝑅3 + 𝑉𝑅6)/ 𝐼𝑅4𝑞𝑢𝑖𝑒𝑠𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒 Equação 7 Onde IR4quiescente é a corrente de polarização e é calculado pela Equação 8. 𝐼𝑅4𝑞𝑢𝑖𝑒𝑠𝑐𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑉𝑐𝑐– (𝑉𝑐𝑐/2 + 𝑉𝑏𝑒𝑄1)/𝑅4 Equação 8 O R6 é calculado a partir da Equação 9 de ganho de tensão AC. 𝑅6 = ((𝑅4||𝛽𝑅𝐿)/𝐴𝑉) – 𝑟’𝑒𝑄2 Equação 9 O re’Q2 é dado pela Equação 10. 𝑟𝑒’𝑄2 = 25𝑚𝑉 𝐼𝐶𝑄2 Equação 10 2.3.4 Cálculo de R1 O R1 é pela Equação 11 abaixo. 𝑅1 = 𝑉𝑅1/𝐼𝑅1 Equação 11 Onde VR1 e IR1 são calculados pelas Equações 12 e 13 respectivamente. 𝑉𝑅1 = 𝑉𝑐𝑐– 𝑉𝑏𝑒𝑄2 – (𝑉𝑅3 + 𝑉𝑅6) Equação 12 𝐼𝑅1 = (𝐼𝑐𝑄3/𝛽𝑄3) ∗ 10 Equação 13 2.3.5 Cálculo de R2 R2 é calculado facilmente pela Equação 14. R2 = VR2/IR1 5 Equação 14 Onde VR2 é encontrado pela Equação 15. VR2 = VbeQ2 + (VR3+VR6) Equação 15 2.3.6 Cálculo da impedância de entrada A impedância é calculada pela Equação 16. Zin= R1||R2||βQ2*(R6+r’e) Equação 16 2.3.7 Cálculo dos capacitores Para o encontrar o valor de capacitância do capacitor 3, utiliza-se a Equação 17. C3= 1/(2*π*fmin*0,1*R3) Equação 17 Para o encontrar o valor de capacitância do capacitor 2, utiliza-se a Equação 18. C2= 1/(2*π*fmin*0,1*RL) Equação 18 Para o encontrar o valor de capacitância do capacitor 1, utiliza-se a Equação 19. C1 = 1/(2*π*fmin*0,1*Zin) Equação 19 6 3. Desenvolvimento Foi proposto projetar um amplificador de áudio com tensão de pico na entrada de 6mV e potência de saída de 5W considerando que a impedância do alto falante é de 16 Ω. Para isso utilizou-se o amplificador de classe AB cujo é o mais utilizado no mercado. Calculando a tensão de saída desse amplificador por meio da primeira lei de Ohm, chegou-se a uma tensão de 9Vrms ou 12,72Vpp em cima do auto falante. Ou seja, os 6mVp ou 4,2mVrms da entrada deveria ser amplificado para 9Vrms. Para isso o ganho deveria ser muito alto e a resistência R6 que é ligada ao coletor do transistor Q3 estava apresentando valor negativo nos cálculos usando a Equação 9, e isso não estaria correto. Portanto, para a construção desse projeto foi necessário usar também um pré- amplificador, pois o sinal de entrada é muito baixo. O pré-amplificador tem entrada de 6mVp e saída de 1Vp. O amplificador AB tem como entrada a saída do pré-amplificador, ou seja, 1Vp ou 0,7 Vrms e saída de 12,72Vp ou 9Vrms. É necessário um ganho de 18. Com a potência de saída e impedância da carga encontrou-se o VRLpp através da Equação 2. Com o valor de VRLpp, considerou-se que VR4min é 1V, assim com o somatório de VR3 e VR6 que foi considerado 1V, VB1 e VB2 considerou-se 0,7V. E Com a Equação 1, encontrou-se o Vccmin igual á 28,68V. Considerou Vccmim da fonte como 30V por ser um valor comercial. Considerou-se o Beta (HFE) de todos transistores igual a 100. Considerou-se IQ1= IQ2=IpicoRL e assim encontrou-se o valor de R4 de 220 Ω por meio das Equações 3, 4, 5 e 6. Com as equações 7, 8, 9 e 10 encontrou-se R3 e R6, que foram respectivamente igual a 4.5 Ω e 10 Ω. Por meio das Equações 11, 12 e 13, encontrou-se R1 igual a 4500 Ω. Por meio das Equações 14 e 15, encontrou-se R2 igual a 270 Ω. Com a equação 16 encontrou-se a impedância de entrada Zin. Com o valor de Zin e a Equação 19 encontrou-se o 49uF para C1 – capacitor de entrada do circuito. Com Equação 17 encontrou-se o valor de 360uF para C3 capacitor para R3. E com a Equação 18 encontrou-se o valor de 100uF C2 que é a capacitância de RL. Para todos os capacitores foram considerados uma frequência mínima de 1000Hz. Com todos os componentes calculados foi montado o Circuito e medido a potência na Carga. Porém foi necessário fazer alguns ajustes pois a senóide de saída estava deformada. Foi necessário mudar o Capacitor de 100uF para um de 100mF pois com 100uF não obteve-se o resultado esperado. O R6 foi trocado de 10 para 2 Ω. R2 necessitou ser diminuído de 270 para 120 Ω e R1 de 4500 para 2000 Ω. A fonte de tensão precisou ter 50V. Foram adicionados dois resistores de compensação de 1 Ω entre os transistores que ligam em RL. O circuito final do amplificador AB ficou como mostra a Figura 2 abaixo. Figura 2. Circuito Amplificador AB 7 FONTE: AUTORA Na Figura 3 abaixo mostra a simulação MultiSimLive, onde é medida a tensão na resistência de 16 Ω. Figura 3. Simulação MultiSimLive – TensãoVpp em RL. FONTE: AUTORA 8 Foi feita a medição da corrente em função da frequência conforme mostra Figura 4. Figura 4. Simulação MultiSimLive – Tensão em função da frequência FONTE: AUTORA Após projetar o amplificador AB, foi construído o pré-amplificador cujo vai ter a entrada de 6mVp ou 0,0042Vrms e saída 1Vpp. Portanto o ganho deveria ser de 166,6. Foi projetado um pré-amplificador por divisão de tensão que aumentava a tensão para 0,5Vp. Então usou-se dois desse pré-amplificador ligados para dar a tensão de 1Vp. A Figura 5 mostra esse circuito e na Figura 6 o sinal na carga desse pré-amplificador que alimentará o amplificador AB. Figura 5. Pré-amplificador 9 FONTE: AUTORA Figura 6. Saída do Pré-amplificador FONTE: AUTORA No Software MultiSim Live não foi possível unir os circuitos de pré-amplificador e amplificador AB, pois há uma limitação de número de componentes. Para solucionar esse problema, foi utilizado o Software LTSpice para fazer a união de ambos circuitos. Ao unir ambos circuitos notou-se que o ganho total não somava-se e sim multiplicava, portanto, foi necessário fazer ajustes após unir esses circuitos. Foi recomendado pelo Professor Orientador desse projeto que a fonte DC do pré-amplificador fosse igual a fonte DC do amplificador AB. Portanto, todas as fontes DC são de 50V. E o circuito final ficou conforme mostra a Figura 7 abaixo. 10 Figura 7. Circuito final FONTE: AUTORA A tensão medida na carga de 16 Ω foi plotada na Figura 8 abaixo, cerca 12,72Vpp o que era esperado para ter-se 5W. Figura 8. Tensão na carga 11 FONTE: AUTORA Foi medida a tensão e corrente em todos os componentes conforme é mostrado nas Figuras 9 e 10 a seguir. Figura 9. Tensão e corrente em todos os componentes 12 FONTE: AUTORA Figura 10. Tensão e corrente em todos os componentes FONTE: AUTORA Com os ajustes feitos o circuito final mostrado na Figura 7 funcionou conforme o esperado e foram feitas as tabelas 1 e 2 para especificar os componentes do pré- amplificador e amplificador AB respectivamente. 13 Tabela 1 – Componentes Pré-amplificador FONTE: AUTORA Tabela 2 – Componentes Amplificador AB FONTE: AUTORA Para o circuito de pré amplificação não fora projetado nenhum dissipador, porém para o amplificador AB irá se utilizar um dissipador para Q1 e Q2. Os dados nos datasheet de Q1 e Q2 são similares pois são complementares. Esses dados retirados do datasheet são mostrados na Figura 11 abaixo. Componentes Pré-amplificador Qntdd Descrição 2 Fonte de 50 VDC 2 Resistores de 7.9K Ω 2 Resistores de 1.5K Ω 2 Resistores de 680 Ω 2 Resistores 150 Ω 2 Capacitores de 5uF 1 Capacitor de 1uF 2 Transistor 2n3019 1 Capacitor de 1F 1 Resistor de 1 Ω Componentes Amplificador AB Qntdd Descrição 1 Capacitor de 49uF 1 Resistor de 5000 Ω 1 Resistor de 130 Ω 1 Resistor de 500 Ω 1 Resistor de 2 Ω 1 Resistor de 4.5Ω 2 Diodo 1N4148 1 Capacitor de 1mF 1 Capacitor de 2uF 1 Fonte de 50V 2 Transistor 2n3019 1 Transistor BC5478 2 Resistores 1 Ω 14 Figura 11. Dados para o dimensionamento de dissipador de calor de Q1 e Q2 FONTE: Datasheet do Componente Com esses dados escolheu-se o dissipador de alumínio uma vez que a temperatura de junção não é tão alta. Os dissipadores de calor de alumínio têm uma melhor transferência de calor/custo que outros materiais. O dissipador de alumínio escolhido foi o HS2816 com dimensões de 30x16x27,5mm. Após escolhe-lo, foi feitos os cálculos para saber se ele atende ou não o projeto. Para o cálculo do dissipador foi considerado o modelo de circuito térmico abaixo. Onde o valor Rch foi retirado da Tabela 3 da Unicamp – sendo considerado igual a 1,5 ° C/W. 15 Tabela 3. Valores típicos de resistência térmica entre cápsula e dissipador Fonte: FEEC UNICAMP Rjc tem o valor de 30 °C/W – retirado do datasheet. Rha foi considerado 14,4 °C/W. Considerando que já tinha-se o dissipador HS2816 e queria-se confirmar se o mesmo atendia o projeto. O cálculo de Rha foi feito pelo produto da resistência térmica dada pelo datasheet que é 7,92 °C/W/4’’ pelo fator de correção de 1,82. Esse fator de correção foi escolhido pela tabela do datasheet do dissipador que mostra que para 30mm (o tamanho adequado para o transistor 2N3019) o fator de correção é 1,82. Com Rha, Rch e Rjc ainda é necessário calcular a potência dissipada. A tensão no transistor é de 25Vpp ou 8,83Vrms e a corrente é 254,5mArms. Portanto, a potência é de 2,24W; A corrente quiescente desse transistor é de 10mA. Para considerar o pior caso soma-se essa corrente com a do transistor, que resulta em 264,5mA e a potência final fica 2,34W. Com esses dados e considerando que a temperatura de operação é 30°C, monta-se o circuito térmico abaixo: 16 FONTE: AUTORA A máxima temperatura de operação do transistor que foi dado pelo datasheet é 200°C. Como a temperatura de junção calculada é 137,4, pode-se concluir que o dissipador de calor HS2816 com dimensão 30x16x27.5mm atende o projeto. 17 Foi feita a cotação de preço dos componentes desse projeto, levando em conta o menor valor encontrado junto com o melhor prazo. E obteve a cotação mostrada na Tabela 4 abaixo, onde mostra-se o prazo e preço para uma unidade do projeto e para 100 unidades. Tabela 4 – Custos para adquirir os componentes do projeto. Componente Tipo Preço Unitário Frete Fornecedor Prazo de entrega Custo de 100 Unidades Capacitor de 49uF Eletrolítico R$0,38 R$15,70 bau da eletrônica 11 dias R$38,00 Resistor de 5000 Ω SMD R$0,05 R$ 15.70 bau da eletrônica 11 dias R$5,00 Resistor de 5000 Ω SMD R$0,05 R$ 15.70 bau da eletrônica 11 dias R$5,00 Resistor de 130 Ω SMD R$0,05 R$ 15.70 bau da eletrônica 11 dias R$5,00 Resistor de 130 Ω SMD R$0,05 R$ 15.70 bau da eletrônica 11 dias R$5,00 Resistor de 500 Ω SMD R$0,05 R$ 15.70 bau da eletrônica 11 dias R$5,00 Resistor de 500 Ω SMD R$0,05 R$ 15.70 bau da eletrônica 11 dias R$5,00 Resistor de 2 Ω SMD R$0,34 R$ 12.50 Mercado Livre 6 dias R$34,00 Resistor de 4.5Ω SMD R$0,05 R$ 12.50 Mercado Livre 6 dias R$5,00 Diodo 1N4148 Sílicio R$1,39 Grátis para 100 Mercado Livre 15 dias R$139,00Diodo 1N4148 Sílicio R$1,39 Grátis para 100 Mercado Livre 15 dias R$139,00 Capacitor de 1mF Eletrolítico R$0,14 R$15,70 bau da eletrônica 11 dias R$14,00 Capacitor de 2uF Eletrolítico R$0,38 R$15,70 bau da eletrônica 11 dias R$38,00 Transistor 2n3019 - R$0,14 Grátis para 100 Mercado Livre 6 dias R$14,00 Transistor 2n3019 - R$0,14 Grátis para 100 Mercado Livre 6 dias R$14,00 Transistor BC5478 - R$0,35 Grátis para 100 Mercado Livre 6 dias R$35,00 Resistores 1 Ω SMD R$0,34 R$12,70 Mercado Livre 6 dias R$34,00 Resistores de 7.9K Ω SMD R$0,05 R$ 15.70 bau da eletrônica 11 dias R$5,00 Resistores de 1.5K Ω SMD R$0,05 R$ 15.70 bau da eletrônica 11 dias R$5,00 Resistores de 680 Ω SMD R$0,05 R$ 15.70 bau da eletrônica 11 dias R$5,00 Resistores 150 Ω SMD R$0,05 R$ 15.70 bau da eletrônica 11 dias R$5,00 Capacitores de 5uF Eletrolítico R$0,38 R$15,70 bau da eletrônica 11 dias R$38,00 Capacitor de 1uF Eletrolítico R$0,38 R$15,70 bau da eletrônica 11 dias R$38,00 Transistor 2n3019 - R$0,35 Grátis para 100 Mercado Livre 6 dias R$35,00 Transistor 2n3019 - R$0,35 Grátis para 100 Mercado Livre 6 dias R$35,00 Capacitor de 1F Eletrolítico R$0,38 R$15,70 bau da eletrônica 11 dias R$38,00 Resistor de 1 Ω SMD R$0,05 R$ 15.70 bau da eletrônica 11 dias R$5,00 Resistor de 1 Ω SMD R$0,05 R$ 15.70 bau da eletrônica 11 dias R$5,00 Dissipador de HS2816 30x16x27,5mm R$1,90 R$ 15.70 bau da eletrônica 11 dias R$190,00 TOTAL: - R$9,38 R$122,6 - - R$938,00 Total para 1 peça com o frete R$131,98 Total para 100 peças com o frete R$ 1060,6 FONTE: AUTORA 18 Foi desenhado o esquemático elétrico do circuito no Software KiCAD, conforme mostra a figura abaixo. O anexo 1 mostra esse esquema elétrico em folha de desenho. Figura 12. Esquemático elétrico no Sofware KiCad FONTE: AUTORA Após fazer esse esquemático, adicionou-se os footprints de todos os componentes para desenvolver a PCBNew. Na PCBNew, organizou-se os componentes de uma forma com que ficasse na melhor posição, adicionou-se as trilhas na parte de baixo da placa e delimitou-se o tamanho (comprimento e largura) da placa. Na saída do amplificador foi colocado um conector tipo Conn_WallSocket, onde será colocado os dois fios do alto falante. E na entrada foi colocado um conector tipo AudioJack2. Nas Figuras 13 a 17 abaixo é mostrado essa PCBNew pronta. 19 Figura 13. PCBNew pronta FONTE: AUTORA Figura 14. PCBNew pronta 20 FONTE: AUTORA Figura 15. PCB 3D vista superior 21 FONTE: AUTORA Figura 16. PCB 3D FONTE: AUTORA 22 Figura 17. Trilhas na parte inferior da placa FONTE: AUTORA Após criar a placar em 3D, foi feita uma cotação para fabricação de 100 placas iguais que foi montada no KiCad no site https://www.pcbway.com/orderonline.aspx. Obteve-se o valor de 167 dólares com o frete incluso. Figura 18. Cotação para fabricação de 100 placas https://www.pcbway.com/orderonline.aspx 23 FONTE: PCBWAY 4. Referências Bibliografias [1] AUTO MOTIVO. Amplificadores, suas funções e tipos. Disponível em: https://www.revistaautomotivo.com.br/amplificadores-suas-funcoes-e-tipos/. Acesso em: 3 de agosto de 2020 [2] ELETRÔNICA AQUI. Amplificadores lineares de potência de áudio-frequência, suas classes e configurações. Disponível em: https://eletronicaqui.com/2017/10/amplificador-de-potencia/. Acesso em: 23 de agosto de 2020 [3] BOYLESTAD, R. B., NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 11ª ed. São Paulo: Editora Pearson Prentice Hall. 2013. [4] UFPE (Universidade Federal de Pernambuco). Tutorial: Como Projetar um Amplificador Classe AB. Centro de informática. 201 https://www.revistaautomotivo.com.br/amplificadores-suas-funcoes-e-tipos/ https://eletronicaqui.com/2017/10/amplificador-de-potencia/
Compartilhar