Nos tutoriais anteriores, foram projetados os circuitos amplificadores para amplificar o áudio de um único canal. Na última década, houve um crescimento no audiófilo. Isso trouxe uma revolução na indústria musical. Agora, as pessoas gostam de ouvir música surround de alta resolução como um vídeo 3D. Um sistema de som surround é projetado para criar um campo sonoro como se o som viesse de trás, da frente, dos lados esquerdo e direito. Também pode criar o som acima do ouvinte. O sistema de som surround é usado em cinemas e teatros para dar uma sensação realista ao público. Uma alternativa ao sistema de som surround é o sistema de áudio estéreo. Existem basicamente dois sistemas de som –
1) Sistema de Som Mono – O sistema mono produz um som mono-natural que vem de um único canal e é reproduzido por um único alto-falante. Embora mais alto-falantes possam ser adicionados para reproduzir o mesmo canal de áudio, uma cópia do mesmo som será reproduzida em todos os alto-falantes desse sistema.
2) Sistema de Som Estéreo – No sistema de som estéreo, o som estereofônico, também conhecido como som estéreo, pode ser ouvido por diferentes canais utilizando mais de um alto-falante. Geralmente por sistema estéreo entende-se que existem dois canais de áudio independentes que são reproduzidos por dois ou mais alto-falantes separadamente. Esse sistema é amplamente utilizado em fones de ouvido. Para projetar um sistema de som estéreo, são necessários dois canais, bem como a fonte de áudio que pode fornecer o som estéreo. Para que o sinal de áudio de dois canais de áudio possa ser obtido e o som possa ser reproduzido em diferentes alto-falantes.
Para um sistema de som estéreo, é necessário o mesmo número de amplificadores que o número de canais de áudio. Neste tutorial, um amplificador de áudio de potência estéreo será projetado usando o IC TDA2822. TDA2822 é um amplificador de potência duplo com dois circuitos amplificadores independentes no mesmo chip. O IC pode ser usado como ponte ou amplificador de áudio estéreo. No circuito projetado neste tutorial, o IC é usado como amplificador de potência estéreo para aumentar os canais de áudio e enviar áudio para dois alto-falantes separados.
No artigo introdutório desta série, vários parâmetros de projeto dos circuitos amplificadores de áudio foram discutidos como ganho, volume, taxa de inclinação, linearidade, largura de banda, efeito de corte, estabilidade, eficiência, SNR, potência de saída, THD e aterramento de loop. Este circuito amplificador será projetado considerando os seguintes parâmetros de projeto –
Ganho (tensão) – 39 dB
Largura de banda – 20 Hz a 20 KHz
Potência de saída – 1 Watt
O amplificador será projetado para fornecer áudio a dois alto-falantes com impedância de 8 ohms. O circuito terá os seguintes recursos adicionais –
– Sem efeito de recorte
– Saída estéreo
O projeto do circuito será seguido de testes do circuito para verificação dos fatores de projeto pretendidos.
Componentes necessários –
Fig. 1: Lista de componentes necessários para o amplificador de áudio estéreo baseado em IC TDA2822H
Diagrama de bloco –
Fig. 2: Diagrama de blocos do amplificador de potência de áudio estéreo baseado em IC TDA2822
Conexões de Circuito –
O circuito amplificador é construído montando os seguintes componentes –
1) Fonte DC – O circuito amplificador é alimentado por uma bateria de 9 V e 1,5 A. A fonte de alimentação é passada através de um capacitor (mostrado como C3 no diagrama de circuito) de 10 uF. Este é um capacitor de filtragem para remover quaisquer ondulações indesejadas da fonte de alimentação.
2) Fonte de Áudio – A entrada de áudio é fornecida por um smartphone. Para receber áudio do smartphone, um conector de áudio de 3,5 mm é conectado ao telefone. O conector de áudio de 3,5 mm possui três fios – um para terra e dois fios para os canais esquerdo e direito. Como o amplificador é projetado para ambos os canais, ambos os fios dos canais serão conectados ao amplificador como entrada de áudio. Ambos os canais são usados para aplicar som estéreo à entrada do amplificador. O fio terra do conector será conectado ao terra comum do circuito. Geralmente, os sinais de áudio nesses dois canais estão defasados em 180 graus, tornando o sistema um sistema de áudio balanceado.
Fig. 3: Imagem típica de conector de áudio de 3,5 mm
3) Amplificador de potência duplo TDA2822 – TDA2822 é um IC amplificador de potência duplo. Este IC pode operar em uma ampla faixa de tensões de alimentação variando de 3V a 15V. Existem dois amplificadores operacionais independentes no IC. Este IC foi especialmente projetado para uso em rádios portáteis e conjuntos de transistores. É bem conhecido por sua baixa distorção de crossover e baixa corrente quiescente.
Figura 4: Imagem típica do IC amplificador de potência duplo TDA2822
O TDA2822 possui a seguinte configuração de pinos –
Fig. 5: Tabela listando a configuração dos pinos do IC amplificador de potência duplo TDA2822
O IC tem o seguinte diagrama de pinos –
Fig. 6: Diagrama de pinos do IC amplificador de potência duplo TDA2822
O IC possui o seguinte diagrama funcional –
Fig. 7: Diagrama Funcional do IC Amplificador de Potência Dupla TDA2822
O TDA2822 é usado como amplificador de potência estéreo no circuito. O IC pode fornecer um ganho de malha fechada de 39 banco de dados o que equivale a um ganho de tensão de 90. O ganho de tensão deste IC amplificador duplo não é ajustável, pois é restrito internamente a apenas 39 dB.
O canal de áudio esquerdo do conector de áudio está conectado à entrada não inversora do OPAM 1, enquanto o canal de áudio direito do conector de áudio está conectado à entrada não inversora do OPAM 2. Os pinos de entrada inversora 8 e 5 do OPAM 1 e 2 são respectivamente conectados ao terra através de um capacitor de filtro (mostrado como C1 e C2 no diagrama de circuito, respectivamente) de 100 uF. Esses capacitores são conectados para rejeição de ondulação. A saída do OPAM 1 é extraída do pino 1 do IC que está conectado a um dos alto-falantes, enquanto a saída do OPAM 2 é extraída do pino 3 do IC que está conectado a outro alto-falante. No pino de saída, capacitores (mostrados como C4 e C5 no diagrama do circuito) de 470 uF são conectados para bloquear a passagem de qualquer componente DC do amplificador para a carga de saída. Qualquer componente DC do amplificador até a carga que é o alto-falante neste caso pode danificá-lo ou produzir ruído ou distorção no áudio de saída. Há um circuito RC (mostrado como C6 e R3 no diagrama de circuito) conectado ao pino de saída do OPAM 1 e um circuito RC (mostrado como C7 e R4 no diagrama de circuito) conectado ao pino de saída do OPAM 4. Ambos estes Os circuitos RC são formados por um capacitor de 0,1 uF e um resistor de 4,7 ohms. Esses circuitos RC ajudam a estabilizar a frequência de saída.
Deve-se observar que neste circuito o TDA2822H é usado como TDA2822 IC. Existem também outros modelos de TDA2822 disponíveis que possuem diferentes configurações e diagramas de pinos.
4) Alto-falantes – Existem dois alto-falantes de Potência de 10 Watts classificação e Impedância de 8 ohms usada como carregar na saída dos amplificadores operacionais. Os alto-falantes são conectados nos pinos 1 e 3 do IC, que são os pinos de saída do TDA2822, e os fios terra dos alto-falantes são conectados ao terra comum. Os alto-falantes de 10 Watts em vez de 6 Watts são usados conforme a disponibilidade.
Fig. 8: Imagem típica de alto-falante de 10 W e 8 Ohms
As seguintes precauções devem ser tomadas ao montar o circuito –
1. Sempre use o capacitor de filtragem no terminal de entrada da fonte de alimentação para evitar ondulações indesejadas.
2. Use o alto-falante de potência equivalente ou alta como potência de saída do amplificador.
3. Sempre use um capacitor em série na saída do amplificador para bloquear qualquer componente DC.
4. Sempre calcule a potência máxima do amplificador antes de conectá-lo ao alto-falante. O valor prático pode diferir do teórico.
5. Evite cortes no sinal de saída, pois isso pode danificar o alto-falante.
6. Coloque sempre os componentes o mais próximo possível para reduzir o ruído no circuito.
7. Sempre siga a topologia em estrela ao aterrar, isso manterá o ruído baixo e reduzirá o problema de aterramento do loop.
Fig. 9: Protótipo de amplificador de potência de áudio estéreo baseado em IC TDA2822
Como funciona o circuito –
Para gerar um som estéreo a partir de dois alto-falantes, é usado o IC TDA2822. O IC foi projetado para ser usado como amplificador estéreo ou amplificador de ponte. Internamente é composto por dois amplificadores operacionais. Para fazer amplificador estéreo, as conexões do circuito são feitas conforme indicado na ficha técnica do TDA2822. O IC pode fornecer uma ampla faixa de potência de saída de acordo com a tensão de alimentação de entrada e a carga de saída. A potência de saída dos amplificadores operacionais integrados do IC foi resumida na tabela a seguir –
Fig. 10: Tabela listando a saída de potência dos amplificadores operacionais integrados do IC TDA2822
A potência de saída especificada na tabela acima é testada para frequência de 1 KHz conforme a folha de dados. Como os alto-falantes usados na saída têm impedância de 8 ohms e tensão de alimentação de 9 V é fornecida ao IC, a potência de saída típica do OPAM deve ser de 1 Watt. O ganho de tensão é ajustado internamente para 39 dB ou 90, o que não pode ser alterado.
O limite máximo de tensão de entrada para o IC é fixo para que o limite de potência de saída não possa ser excedido. Ao exceder a potência de saída acima de 1 Watt, o sinal de saída começará a ser cortado. Isso adicionará distorção e ruído ao áudio de saída. A tensão quadrática média (RMS) na saída pode ser calculada pela seguinte equação –
Po = (Vrms)2/R
onde,
potência de saída, Po = 1 Watt
Resistência de carga, R = 8 ohms
Portanto, a tensão RMS (raiz quadrada média), Vrms é a seguinte –
1 = (Vrms)2/8
Vrms = 2,8 V
O sinal de áudio é uma onda senoidal, portanto sua tensão pico a pico para potência de 1 Watt pode ser calculada da seguinte forma –
Vp-p = Vrms*(2)1/2
Vp-p = 2,8*1,414
Vp-p(máximo)= 4 V (aprox.)
Como o ganho de tensão do IC é fixado em 90 ou 39 dB, a tensão máxima de entrada pode ser calculada da seguinte forma –
Ganho = V(pp)saída/Vin(pp)
Vin(pp) = 4/90
Vin(pp) = 45 mV (aprox.)
Portanto, a amplitude máxima (nível de tensão) nos sinais de áudio de entrada não deve ser superior a 45 mV, caso contrário, o sinal de saída começará a ser cortado.
Testando o circuito –
Para o teste do circuito amplificador, o gerador de função é usado como fonte de entrada. O gerador de função é usado para gerar uma onda senoidal de amplitude e frequência constantes. Qualquer sinal de áudio também é basicamente uma onda senoidal, portanto, um gerador de função pode ser usado em vez de um microfone ou fonte de áudio real. Assim, o gerador de função pode ser usado como fonte de entrada para testar o circuito amplificador de áudio. Durante o teste, também na saída, um alto-falante não é usado como carga, pois o alto-falante é resistivo e também indutivo. Em frequências diferentes, sua indutância muda, o que por sua vez altera a impedância (combinação R e L) do alto-falante. Assim, o uso de um alto-falante como carga na saída do amplificador para derivar suas especificações pode gerar resultados falsos ou fora do padrão. No lugar do alto-falante, é usada uma carga fictícia puramente resistiva. Como a resistência não muda com a frequência, pode ser considerada uma carga confiável independente da frequência do sinal de áudio de entrada.
Para testar o circuito amplificador, primeiro a tensão de entrada é definida entre a faixa aplicável de até 45 mV. A frequência do sinal de entrada é definida como 1 KHz. Então, a forma de onda de saída é observada em CRO e o sinal de entrada é aumentado até que a forma de onda de saída comece a cortar.
Com carga fictícia de impedância de 10 ohms, as seguintes observações foram anotadas –
Fig. 11: Tabela listando as características de saída do amplificador de potência de áudio estéreo baseado em IC TDA2822
Idealmente, a potência de saída do amplificador deve ser de 1 watt. Como a impedância de carga agora é de 10 ohms, a seguinte potência de saída dos amplificadores deve ser obtida –
Po = V2(pp)/2R
Po = (4*4)/(2*10)
Po = 800mW
Portanto, praticamente a potência de saída deste amplificador estéreo para a carga real dos alto-falantes varia entre 800 mW a 1 watt. Pelas formas de onda de saída, observou-se que ao manter o nível de tensão de entrada abaixo de 45 mV não houve efeito de clipping.
O amplificador de potência estéreo projetado neste tutorial pode ser usado em toca-fitas portáteis. O circuito também pode ser usado como amplificador de fone de ouvido para fones de ouvido com impedância de 4 ohms a 32 ohms. No próximo tutorial, será projetado um pré-amplificador usando o IC MAX4468.
