Eletronica 2 Projeto Final Amplificador de Audio Amplificador de Potencia

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Projeto Final da Disciplina - Amplificadores de Potência
Amplificador Push-Pull quase complementar
Laura Ferreira1
Caroline Obregon Pilz2
Jean Munchen3
Disciplina de Circuitos Eletrônicos II - Prof. Cesar Augusto Prior
Santa Maria/RS - Julho de 2018
Resumo: Este trabalho consiste no relato da implementação do projeto final da disciplina de circuitos ele-
trônicos II. O circuito trabalhado é um amplificador de áudio do tipo quase-complementar, isto é transistores
complementares antes dos transistores de saída npn correspondentes. Durante as etapas de simulação e imple-
mentação prática observaram-se características como resposta em frequência, distorção harmônica, potência de
saída e rendimento.
Palavras-chave: Amplificador, Áudio, Push-Pull, Transistor, Potência, Distorção.
1 Proposta
Implementar/Projetar, um amplificador de potência para áudio com as seguintes especificações mínimas.
• Resposta em frequência – 20Hz a 20 kHz;
• Potência de no mínimo 5 Watts rms @ 8 Ohms;
• Tipos: Push-pull com TJB, FET e Classe D com PWM e SD.
• Alimentação, componentes, de livre escolha.
2 O Amplificador Push-Pull Quase-Complementar
Em circuitos amplificadores de potência práticos é preferível usar transistores NPN para ambos os dispositivos
de saída de alta corrente. Como a conexão push-pull é composta por dispositivos complementares, um transistor
PNP de alta potência deve ser utilizado. Uma maneira prática de obter-se operações complementares utilizando os
mesmos transistores NPN casados para a saída é oferecida pelo circuito quase complementar como mostra a figura
1.
A operação push-pull é obtida pelo uso de transistores complementares (Q1 e Q2) antes dos transistores de
saída NPN casados (Q3 e Q4). Observa-se que os transistores Q1 e Q3 formam uma conexão Darlington que
apresenta uma baixa impedância de saída, típica de um seguidor de emissor. A conexão dos transistores Q2 e Q4
forma um par realimentado, o qual, semelhantemente, fornece uma baixa impedância para carga.
1Acadêmica do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal De Santa Maria- UFSM, matrícula: 201312207, email: laurafer-
reira.ufsm@gmail.com
2Acadêmica do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal De Santa Maria- UFSM, matrícula: 201310948, email: caro-
line.obregon1@gmail.com
3Acadêmico do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal De Santa Maria- UFSM, matrícula: 201312207, email: jeanmuen-
chen@gmail.com
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O resistor R2 pode ser ajustado para minimizar a distorção de cruzamento pela alteração do valor da polaridade
CC. O único sinal de entrada para o estágio push-pull resulta, então, em um ciclo de saída completo para carga.
O amplificador push-pull quase complementar é, atualmente, em geral, o circuito mais utilizado para amplificação
de potência
Figura 1: Circuito Amplificador Quase-Complementar. Fonte:Boylestad
3 Circuito Desenvolvido
A figura 2 apresenta o circuito trabalhado.
Figura 2: Circuito do Amplificador Aplicado.
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• O estágio de entrada que consiste em Q1 e Q2 é um circuito amplificador diferencial, também chamado de
par de cauda longa, este apresenta elevada impedância de entrada (opera com feedback de tensão).
• O sinal de entrada é aplicado à base de Q1 e o sinal de feedback proveniente da saída do amplificador é
aplicado à base de Q2.
• R6 e R7 determinam o ganho geral do amplificador.
• Q4 é o estágio multiplicador de vbe.
• C1 é para compensação de alta frequência. .
• Q5 e Q6 formam um Par Darlington.
• Q6 e Q8 formam um Par Realimentado.
• Q7 e Q8 são transistores de potência.
4 Resultados Teóricos-Experimentais
4.1 Tensão
Para uma entrada de 20 mVpp, a tensão observada é a que está apresentada na Figura 5.
Figura 3: Captura de Tela do LTSpice: Sinal de saída com 18 Vpp.
Figura 4: Captura de Tela do LTSpice: Valor da saída em 18 Vpp.
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4.2 Potência de Saída para Variável Tensão
Pp−p =
V 2ce
8 ·Rc (1)
Pp−p =
18,792
8 ·8 (2)
Pp−p = 5,51W
5 Corrente
Para uma entrada de 20 mVpp, a corrente observada é a que está apresentada na Figura ??.
Figura 5: Captura de Tela do LTSpice: Sinal de saída com 2,34 App.
Figura 6: Captura de Tela do LTSpice: Valor da saída em 2,34 App.
5.1 Potência de Saída para Variável Corrente
Pp−p =
I2c ·RC
8
(3)
Pp−p =
2,342 ·8
8
Pp−p = 5,51W (4)
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5.2 Distorção Harmônica
Utilizando a Transformada Rápida de Fourier, analisou-se o espectro de frequências da saída (Figura 7).
Percebe-se que a componente fundamental de 1kHz está limpa de harmônicas ao seu redor, o que traduz o
comportamento do sinal.
Figura 7: Análise do sinal através de FFT.
5.3 Resposta em Frequência
Utilizando análise AC capturou-se a resposta em frequência (Figura 8). O sinal comporta-se bem na faixa
audível 20 Hz - 20 kHz e além.
Figura 8: Resposta em Frequência do Circuito.
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5.4 Excursão do Sinal
Para um sinal de entrada de 0.7 V a saída apresenta saturação, como mostra a figura 9.
Figura 9: Análise do sinal através de FFT.
6 O Transistor 2n3055
O modelo 2n3055 é um transistor de enorme utilidade principalmente envolvendo aplicações industriais,
controle, robótica e mecatrônica. Capaz de dissipar potências de até 115 W e de operar com correntes de
coletor de até 15A pode-se usá-lo em fontes de alimentação, amplificadores de áudio, controles de potência,
e em muitas outras aplicações que envolvam corrente contínua e baixas frequências.
Figura 10: Transistor 2n3055.
O componente apresenta dois pinos relacionados à sua base e emissor, sua carcaça é responsável pelo coletor.
Figura 11: Pinagem do Transistor 2n3055.
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As principais características do transistor podem ser verificadas na tabela 12 que foi retirada de seu datasheet.
Figura 12: Acarcterísticas do Datasheet do Transistor 2n3055.
Destacam-se:
– 15 Amperes
– 60 Volts
– 115 Watts
7 Procedimento Prático
Aplicando o mesmo sinal simulado, a saída observada apresentou saturação (Figura 13). Ajustaram os níveis
de polarização através de potenciômetros, diminuiu-se o sinal de entrada, porém a distorção prevaleceu,
caracterizando uma situação extrema entre ausência de sinal e sinal saturado.
Figura 13: Análise do sinal através de FFT.
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Utilizou-se o recurso da FFT do osciloscópio para ratificar o comportamento do sinal (Figura 14). Clara-
mente o sinal está poluído e o desempenho do áudio deverá apresentar distorção.
Figura 14: Captura de Tela do Osciloscópio: Espectro de Frequências fornecido pela FFT.
7.1 Potência de Saída
Pp−p =
V 2ce
8 ·Rc (5)
Pp−p =
142
8 ·8 (6)
Pp−p = 3,06W
A saída, apesar de distorcida, apresenta potência considerável, a intensidade de som verificada deve ser forte.
7.2 Potência de Entrada
No momento da captura do sinal de saída, a fonte CC fornecia tensão de 15,4 V e corrente de 0,79 A (Figura
15).
Figura 15: Tensão e Corrente Fornecidas pela Fonte CC.
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P=V · I (7)
P= 15,4 ·0,79 (8)
P= 12,16W
7.3 Eficiência
η=
3,06
12,16
·100% (9)
η=
3,06
12,16
η= 25% (10)
A baixa eficiência caracteriza-se pela intensa perda por dissipação de calor nos componentes.
8 Discussão
A implementação prática não apresentou o mesmo sucesso da simulação. O sinal apresentando precoce
saturação foi o principal infortúnio. Acredita-se que uma melhor configuração da polarização e revisão do
circuito montado possibilitem a eliminação do erro.
Um aspecto importante e perigoso presenciado durante a montagem foi a extrema dissipação de calor, que
causou danos à protoboard, fios e componentes. Destaca-se o fato de que utilizaram-se grandes dissipadores
nos transistores de potência. Seria ideal construir uma placa de circuito impresso para este amplificador.
Ao conectar um cabo P2 ao celular, ouviu-se um som bastante intenso, porém como era de se esperar, dis-
torcido. Ao ajustar os potenciômetrosao som da música foi possível verificar os diferentes comportamentos
que o sinal apresentava, contribuindo para a hipótese de que a distorção pode ser contornada pelo ponto de
operação.
9 Conclusão
Através deste trabalho/projeto sobre o Amplificador Quase-Complementar, pode-se compreender e analisar
vários aspectos importantes sobre o estudo dos amplificadores de áudio que utilizam a configuração push-
pull.
Ficou evidente que a idealização (simulação) e a prática (implementação) não são fiéis, pois todas as não-
idealidades de um circuito simulado aparecem na montagem, destacam-se dissipação de calor e difícil ajuste
exato dos valores dos componentes.
Apesar dos infortúnios, aprendeu-se bastante com o desenvolvimento deste projeto. Exercitou-se a capa-
cidade de identificar problemas e erros e tentar propor soluções viáveis. Estas habilidades tão importantes
na maioria vezes não são exploradas em avaliações escritas, o processo de construção do amplificador foi
enriquecedor em todos os sentidos.
[1]
Referências
[1] R. L. Boylestad and J. L. do Nascimento, Introdução à análise de circuitos . Pearson Educación, 2004.
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