quinta-feira, 28 de fevereiro de 2013

Amplificador de Áudio - Classe B Push-pull 6W


Amplificador de 6W
Amplificador Classe B Push-pull
Amplificador é qualquer circuito eletrônico que a partir de um sinal colocado em sua entrada, fornece em sua saída este mesmo sinal ampliado. Neste trabalho, focaremos nossa atenção em amplificador de áudio do tipo B Push-Pull. Este projeto, será composto de quatro partes principais: Fonte de alimentação; equalizadores; pré-amplificador e o amplificador de áudio de potência tipo B push-pull. Todas as etapas do projeto serão explicados com detalhes a seguir, confiram!


Fonte Simétrica de alimentação para o Amplificador


A fonte de alimentação, transformará a entrada senoidal de 127V/60Hz em uma tensão continua. O circuito da fonte é apresentado na figura 1. A fonte deverá ser do tipo simétrica (fornecer +Vcc e -Vcc) para o correto funcionamento das etapas de equalização e amplificação de potência. A alimentação simétrica permite amplificar tanto a parte positiva do sinal de áudio quanto a negativa. 
 
Fonte de alimentação
Figura 1-Fonte simétrica com retificação e filtragem.

O transformador é de 9V + 9V com corrente de 1,5A e deverá conter uma derivação central como mostrado na figura 2.


Transformador 9V + 9V
Figura 2 - Transformador 9V + 9V

Neste trabalho consideramos +Vcc=9V e -Vcc=-9V. 

Equalizador de Três Faixas


O equalizador de áudio é um dispositivo que permite alterar a intensidade de certas frequências contidas no sinal. O equalizador modifica sua resposta em frequência por meio de ajustes feitos pelos usuários o que possibilita ajustar e corrigir os efeitos sonoros indesejáveis. 

Equalizadores de audio
Figura 3 - Equalizador de três faixas
 
Um equalizador possui faixas de equalização, isto é, controle de intensidade (amplitude) do sinal para as diversas frequências. O equalizador do nosso amplificador possuirá três faixas de equalização (agudo, médio, grave). As três faixas de frequência usadas serão: 20Hz à 880Hz para o grave, de 880Hz a 5Khz para o médio, e  acima de 5Khz para o agudo. O funcionamentos do circuito equalizador é baseado em 3 filtros, um Passa-Baixa, um Passa-Faixa e um Passa-Alta, conforme a figura 3. O circuito de cada filtro será  mais detalhado a seguir. 

Frequência de Corte para os filtros

Fc1
Fc2
Filtro Passa-Baixa
884.19
-

Filtro Passa – Faixa
884.19
4973.59

Filtro Passa - Alta
-
4973.59

Na figura 4, temos o circuito base dos filtros sallen-key Passa-Baixa e Passa-Alta de segunda ordem respectivamente. A vantagem de utilizar os filtros Sallen-Key's se reflete no projeto (que é bem simples) e de fácil dimensionamento. Nos filtros Sallen-key R1=R2 e C=C1, essa relação facilita o calculo da frequência de corte que é igual a: Fc=1/(2piCR).


Filtro Sallen-key
Figura 4 - Filtros Sallen-Key, Passa-Baixa (a) Passa-Alta (b)

*Obs: Os filtros sallen-key padrão possuem ganho unitário. O ganho proporcionado pelos resistores R3 e R4 muda um pouco a frequência de corte, assim as formulas citadas oferecem aproximações. Valores exatos podem ser obtidos por técnicas de analise de circuito.

O filtro para as médias frequências é uma Passa-Faixa de primeira ordem como apresentado na figura 5. Esse filtro é constituído por dois filtros, um Passa-Faixa e um Passa-Baixa conectados em cascata. A frequência de corte inferior (primeiro estágio Passa-Alta) é Fci=1/(2piCR) e a frequência de corte superior (segundo estágio Passa-Baixa) é Fcs=1/(2piCR).
Filtro de primeira ordem
Figura 5 - Filtro passa Faixa de 1° ordem
  

Pré-amplificador para o Amplificador


Após o equalizador, teremos o estágio do pré-amplificador. Para este, será usado um amplificador operacional na configuração somador como na figura 6.


Figura 6 - Circuito pré-amplificador somador
A utilização desse circuito é essencial, pois além de proporcionar um ganho de tensão, ele também permite unir os três sinais de áudio equalizados provenientes de cada filtro e somá-los sem que haja grandes perdas por efeito de carga. Os amplificadores operacionais possui uma alta impedância de entrada que minimiza os efeitos de carga de entrada. A equação 1 relaciona o ganho de tensão oferecido pelo circuito.


Eq. 1 - Relação de ganho do pré-amplificador somador

Funcionamento do Amplificador de Áudio Classe B Push-pull



Temos na figura 7a o estágio do amplificador de saída push-pull operando em classe B, construído com transistores TBJ complementares. Cada transistor conduz apenas durante 180° de um sinal senoidal, ou seja, no semiciclo positivo o transistor NPN Q1 fornece uma corrente IL para a carga RL e no semiciclo negativo o transistor PNP Q2 drena uma corrente IL da carga RL. Nessa configuração, a ausência de um sinal na entrada, deixa os dois transistores cortados, pois IC1=IC2=IQ=0. Amplificadores classe B transmite com maior eficiência a potência proveniente da fonte DC -+Vcc para a carga RL. Sua eficiência máxima teórica é de 78,5%.

amplificador B push-pull
Figura 7b - Distorção de cruzamento na configura Push-pull



Figura 7a - Amplificador Classe B Push-pull.












Essa configuração push-pull consegue desenvolver um ciclo completo do sinal de entrada na saída. Um ponto negativo desse circuito é a necessidade de uma fonte simétrica para o seu funcionamento, outra desvantagem menos evidente, é a distorção de cruzamento (crossover) que aparece no sinal de saída (figura 7b). Essa distorção acontece devido as características não lineares dos dispositivos próxima a zero volts. Os transistores não conduzem corretamente entre 0V a 0,7V. Para correção da distorção por cruzamento na configuração push-pull podemos utilizar dois diodos para polarizar os transistores (Figura 8) de tal forma que a distorção no cruzamento se sobreponha minimizando seu efeito.
Amplificador classe B
Figura 8 - Amplificador Classe B Push-pull.

As equações necessárias para os cálculos das potências se encontram abaixo. Uma consideração importante para os amplificadores de potência é a potência dissipada nos transistores. A dissipação de calor é elevada e pode danificar os transistores se esse calor não for corretamente irradiado, portanto um bom dissipador de calor deverá ser acoplado aos TBJ's.

(Obs: Se os transistores forem colocados em um mesmo dissipador metálico, eles deverão ser fixados por intermédio de isolantes elétricos e que sejam ao mesmo tempo um bom condutor térmico,  como a Mica ou Thermal Pad).


Amplificador de Audio transistorisadoamplificador B push-pull  eletrônica em casa
 

Montagem e Resultados


Na figura 9 temos o amplificador desenvolvido. O diagrama eletrônico pode ser baixado no link abaixo.  
Projeto: Diagrama_Layout

Amplificador de Áudio Transistorizado
Figura 9 - Amplificador Classe B Push-pull final
O circuito eletrônico final do amplificador se encontra na figura 10.

Amplificador de audio
Figura 10 - Diagrama elétrico completo do amplificador

Os ganhos relacionados aos estágios de equalização e pré-amplificador são dados na tabela a baixo. 


Ganho Devido Aos Filtros [Af]

Passa Baixa

2
Passa Alta

2
Passa Faixa

4

Ganho Devido Ao Circuito Somador [ACS]

R2/Ra

66,66

Ganho Global (Filtros + Circuito Somador),
já Corrigido Devido Ao Rb

Af*ACS

133,33



No estágio final (amplificador de potência) teremos um ganho de tensão unitário e um alto ganho de corrente. Se a amplitude do sinal na entrada do amplificador for de 9V teremos a máxima potência entregue para a carga (Alto falantes de 8 ohms). Na tabela abaixo temos os cálculos de potência para esse amplificador em questão.


Tabela - Memória de Cálculos


Calculados
Medidos
Potência de Entrada.
6,44W
6,07W

Potência de Saída.
5,06W
4,25W

Eficiência.
78,56%
70,00%

Potência máxima dissipada nos transistores.
2,05W
      --


A seguir na figura 11 e 12 temos uma sugestão de layout para o circuito impresso desse amplificador. O leitor pode baixar no link acima os PDF's do projeto para a confecção da placa eletrônica. 

A entrada de áudio para o amplificador é da forma apresentada na figura 3 a ligação do potenciômetros é da forma "controle de tensão" que pode ser entendida no pote: Como funciona o potenciômetro.




Amplificador de Áudio trasistorizado
Figura 11 - Layout completo

Amplificador de Áudio trasistorizado
Figura 12 - Layout somente componentes


Lista de componentes





Resistores
R1,R2
2,2k Ω   1/4W
R4,R3,R8,R11,R14,R21
10K Ω   1/4W
R5,R6,R9,R10,R12,R13,R15,R16
47k Ω    1/4W
R18,R20
2,7K Ω  1/4W
R17,R19
1,8K Ω  1/4W
R7
120K Ω 1/4W
4 Potenciômetros
100K Ω 
Capacitores
C1,C2,C3
15nF                 - Capacitor cerâmico ou poliéster
C4, C5, C6
3,3nF                - Capacitor cerâmico ou poliéster 
C7, C8
47uF / 25V       - Capacitor eletrolítico
C9
1000uF / 25V   - Capacitor eletrolítico
C10,C11
4700uF / 25V   - Capacitor eletrolítico
C12,C13
100nF               - Capacitor cerâmico ou poliéster
Semicondutores
D1,D2,D3,D4
1N5060
D5,D6
1N4148
Q1
TIP41
Q2
TIP42
CI 1
LM324
CI 2
LM741
LED 5mm

Diversos
1 Transformador 9V + 9V corrente 1,5 A
Fios para Jamps
1 Conector de três vias
1 Plug P2 (plug de fone de ouvido)
1 Dissipador de calor (Encontrado em fontes de PC)
1 Alto falante de 8 Ω  
2 Parafuso com buchas isolantes
2 Thermal Pad (para os transistores)



Funcionamento do amplificador:




Agradecimento aos Colaboradores.

Agradeço ao meu amigo Naraiel Ferrai pelo trabalho em grupo na disciplina de eletrônica 2 na universidade federal de viçosa.



36 comentários:
  1. Respostas
    1. Onde é ligada a entrada de audio?

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    2. A ligação da entrada de áudio é esquematizada pela figura 3. Os potenciômetros Pb, Pf e Pa são conectados nos terminais Pad3, Pad1 e Pad2 (Figura 11 e 12) respectivamente sendo o Pad4 o terminal comum 0V da ligação.

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  2. Cara, muito bom mesmo! Você é professor??

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    1. Olá amigo,
      Muito obrigado pelo elogio e por prestigiar o trabalho! De seu Joinha.
      Não sou professor, estou me graduando em engenharia elétrica e tenho como hobby a eletrônica.

      Muito obrigado!

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  3. Eae cara, td bem? O 741 se deu bem com as altas frequncias?
    Muito bom, parabéns!

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    1. Olá amigo,
      Sim, não tive nenhum problema com o 741.
      Não tive problemas, pois não utilizei ele para eliminar efeito "crossover" passando essa tarefa aos diodos e pelo do 741 funcionar perfeitamente na faixa de frequência audível, a banda passante desse AOp é um pouco mais de 20khz o que não interfere na banda de áudio.

      Muito obrigado pela vista e por contribuir ao blog.

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  4. Cara muito bom o trabalho parabéns. Só não consegui baixar os arquivos do layout, tem como me passar o link correto. obrigado

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    1. Oi Renan,
      Vou corrigir o link!
      Obrigado por avisar e pelo elogio!

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  5. Olá Guilherme! Primeiramente gostaria de parabenizá-lo pela iniciativa do blog e pelos materiais de excelente qualidade. Vou tentar realizar o projeto e gostaria de aprender a confeccionar placas. Você poderia disponibilizar o arquivo com o projeto da placa original e o nome do software utilizado para abrir? Desde já, obrigado! (zewilla@hotmail.com)

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    1. Oi Willian,
      Infelizmente eu não tenho mais os arquivos para editar a placa, somente os pdf's do projeto final mesmo. O programa que eu utilizo é o Cadsof Eagle... Eu coloquei um link aqui no blog para vcs baixarem o software (mês de janeiro). O programa é bem simples de utilizar e existem várias apostilas na net sobre ele.

      E muito obrigado pela visita e pelos elogios!

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    2. Obrigado pela prontidão na resposta, Guilherme. Só mais uma dúvida. Na seção 'fonte simétrica' você colocou um transformador 110V/220V/9V e no esquemático indica 12V. Gostaria de saber qual desses valores foi utilizado para realizar os cálculos e testes.

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    3. Oi Willian,
      No esquemático eu usei 9V também... Está errado na figura mesmo, o certo é 9V! Os testes e cálculos forma com 9V.

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  6. Meu caro.... pode me passar a senha para descompactar os arquivos?

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    1. Boa tarde Rodrigues,
      A senha para extrair os arquivos é o endereço do blog. www.eletronicaemcasa.blogspot.com.br

      Obrigado pela visita !

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  7. Muito Obrigado, Guilherme!

    Tenho que fazer um trabalho de faculdade, onde o meu equalizador irá possuir 4 canais, esstou tomando como base o seu post, pois o mesmo e bem didático. Creio que nao terei problemas, mas fiquei em duvida com relação a uma coisa, voce utilizou dois Cis 741 no circuirto do Equalizador ou apenas 1?

    Desde ja agradeco a sua atencao.
    E parabenizo pelo excelente trabalho!

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    1. Muito legal!
      Esse amplificador funciona muito bem e muitos amigos já montaram em trabalhos de faculdade! Ele funciona bem mas tem muito a melhorar... ainda não tive tempo para fazer uma segunda versão... A primeira coisa que deveria ser melhorada é em relação as entradas dos filtros equalizadores, as entradas deveriam conter um buffer para eliminar o efeito de carga dos potenciômetros de equalização... Mas mesmo com esse problema o circuito como um todo funciona bem !

      Eu utilizei apenas um CI 741 o outro CI é o LM324 ( 4 AO internos). O 741 é utilizado para dar um ganho de tensão para a etapa de potência, já os AO do LM324 são destinados ao circuito de equalização.

      Obrigado pela visita, elogio e pela contribuição ao blog!
      Boa sorte com o trabalho !

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    2. Obrigado pelas dicas Guilherme!

      Prometo que está será minha ultima dúvida.
      No meu trabalho acrescentei mais uma banda utilizando um CI Tl072 com (2 AO internos) ate ai tudo bem, mas eu gostaria de ligar os potenciometros diretamente na placa, como seria a ligação?
      Pois no seu projeto voce utiliza um conector especifico ou algo assim, correto?
      Se conseguir me ajuda nessa lhe agradeço muito. Pois está e a ultima etapa para que monte o layour e faça a montagem.

      Desde ja agradeco a atencao.

      Guilherme

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    3. Boa noite Guilherme,
      A ligação dos potenciômetros é ilustrada na figura 3 do post. A figura 3 ilustra bem a ligação dos potenciômetros a placa.
      Lei primeiro o post "Como Funciona um Potenciômetro" para que o senhor possa entender quem são as letras A, W e B que eu irei citar...

      Os potenciômetros do amplificador são ligados da seguinte forma: Os pinos "B" de todos os potenciômetros são ligados ao 0V. O Pino A do potenciômetro de volume recebe o sinal de áudio a ser amplificado. O Pino W do potenciômetro de volume é ligado em todos os pinos "A" dos potenciômetros de equalização. Os pinos "W" de cada potenciômetros de equalização é ligado em seus respectivos equalizadores. Siga a figura 3 do post do amplificador.

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  8. Caro Guilherme,

    Consegui montar o circuito, praticamente ja terminei o layout, porem ainda paira uma duvida, como foi feita a ligacao dos potenciometros? E sabe me dizer o que colocarei na saida do pino 6 do 741, tendo em vista que o meu será apenas um equalizador!

    Desde ja agradeco a atencao,

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    Respostas
    1. Boa noite Guilherme,
      A ligação dos potenciômetros te expliquei na pergunta anterior.
      Não entendi muito bem... Você só fez uma equalizador para o amplificador inteiro ou você quis dizer que esse 741 é responsável por um dos equalizadores? Você tem que ter num mínimo dois equalizadores... por exemplo um grave e um agudo, pois não teria sentido somente um equalizador.

      O pino 6 do 741 é a saída do AO essa saída deve ser levada ao estágio de potência do amplificador. Se você quiser mande para min o diagrama elétrico do seu circuito em pdf para o e-mail do blog eletronicaemcasa@gmail.com eu posso olhar para vc até nessa quarta feira.

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  9. Caro Guilherme,


    Enviei o esquema elétrico do circuito, porém o mesmo foi em jpg, pois não consegui gerar pdf.
    Sou imensamente grato
    Aguardo retorno.

    Obrigado

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  10. Muito bom muito bom mesm,
    estou louco para tentar realizar ums de seus projetos,
    Eu só gostaria de saber se esse amplificador já é pré amplificado ou se tenho que fazer um pré amp Pra botar nele para funcionar na guitarra,
    é gostaria de fazer um amp portátil para eu levar pra Praça ou algum lugar eu tava pensando em colocar uma bateria de moto mais não sei o que presiso mudar pra isso

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    1. Boa noite Ruan,
      Esse amplificador já possui uma etapa de amplificação com equalização, no entanto a fonte de alimentação necessita ser simétrica para o funcionamento do amplificador. Ele pode funcionar com +-12V no lugar de +-9V. Para usa-lo com baterias você precisa gerar +12V, 0V o -12V e isso pode ser feito através de duas baterias ligadas em série.

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    2. Positivo da bateria ligado no negativo de outra bateria!?
      mais nao tem nenhum geito para eu usar uma bateria só n? Baterias são caras e só tenho uma aki que era de uma moto de minha irna

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  11. Isso, você liga as baterias em série assim vc vai ter +12 na extremidade positiva de uma bateria e o -12 na outra. O potencial 0V você vai obter na ligação entre as baterias.
    Esse é o jeito mais fácil de se obter se não vc precisa construir um outro circuito eletrônico para gerar o -12V com a bateria...

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  12. Gostaria de saber se posso utilizar um transformador 9V/9V de 1A, já que este descrito no site de 1.5A não é encontrado comercialmente. Além disso, gostaria de saber se é recomendado montar a parte do amplificador de áudio classe B efeito push-pull na protoboard ou devo coloca-lo em uma PCB ?

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    Respostas
    1. Boa noite Amigo,
      Sim você pode, porem a potência do amplificado vai ser mais baixa. Eu recomendaria montar na placa amigo, pois uma corrente 1A rms pode danificar o protobord. A montagem na placa seria melhor!

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  13. Buenas noches excelente !!! me preguntaba que parte del circuito debo de modificarle si lo requiero a 10 whatts?

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    1. Você pode alimentar o circuito em +-12V e a potência de saída pode chegar até 9W.

      Obrigado pela visita amigo !

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  14. Uma pergunta... o PAD4 é potenciometro para controle do volume?

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    Respostas
    1. Oi
      Não! O PAD4 é a conexão do 0V comum aos potenciômetros. O potenciômetro e ligado conforme a figura 3 do post

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