No tutorial anterior, foi projetado um amplificador de potência de áudio de 1 Watt. Com base na aplicação, os amplificadores de áudio podem ser categorizados em duas classes-
1) Pré-amplificador
2) Amplificador de potência
Os pré-amplificadores são usados para nivelar os sinais de áudio de um microfone ou fonte de áudio para níveis de tensão padrão, enquanto os amplificadores de potência são geralmente usados no estágio de saída dos sistemas de áudio para aumentar os sinais de áudio antes de serem reproduzidos pelos alto-falantes. Neste tutorial, será projetado um amplificador Bass Boost com potência de saída de 1 Watt. O amplificador de áudio projetado neste projeto irá operar na faixa de 20 Hz a 20 KHz, que é a mesma faixa de frequências audíveis por humanos. O circuito amplificador será projetado para ter um ganho de tensão variável na faixa de 26 dB a 46 dB.
Na terminologia de áudio, 'Bass' é um termo usado para baixas frequências em sinais de áudio e 'treble' é um termo usado para altas frequências em sinais de áudio. Um amplificador Bass Boost ajuda a amplificar 'Bass' ou baixas frequências no sinal de áudio para fornecer graves profundos na música. Os engenheiros de áudio precisam trabalhar nos graves e agudos dos sinais de áudio para melhorar a qualidade do som. Na verdade, um amplificador de reforço de graves não amplifica especificamente os sinais de baixa frequência; em vez disso, amplifica menos os sinais de alta frequência em comparação com os sinais de baixa frequência, de modo que o volume (amplitude) dos sinais de baixa frequência permanece alto em comparação com os sinais de alta frequência do áudio. . Isto torna os sinais de 'graves' ou de baixa frequência mais audíveis do que os sinais de alta frequência do áudio.
Os amplificadores de reforço de graves são iguais ao amplificador de potência, exceto que possuem um circuito de reforço de graves adicional adicionado a ele. Portanto, o amplificador Bass Boost projetado neste tutorial é construído sobre o mesmo amplificador de potência de 1 Watt projetado no tutorial anterior. O circuito deste amplificador usa um amplificador operacional como bloco de construção. Portanto, o IC LM-386 é o coração do circuito. LM-386 é um IC amplificador de potência de áudio de baixa potência. O circuito amplificador será equipado com recurso de controle de volume usando um resistor variável na saída.
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) – 26 dB a 46 dB
Largura de banda – 20 Hz a 20 KHz
Potência de saída – 1 W
O amplificador será projetado para fornecer áudio a um alto-falante de 10 Watts com impedância de 8 ohms. O circuito terá os seguintes recursos adicionais –
– Aumento de graves
– Sem efeito de recorte
– Controle de volume
O projeto do circuito será seguido pelo teste do circuito para a verificação dos fatores de projeto pretendidos e pela observação da forma de onda de saída em um CRO para verificar o efeito de corte.
Componentes necessários –
Fig. 1: Lista de componentes necessários para o amplificador Bass Boost
Diagrama de bloco –
Fig. 2: Diagrama de blocos do amplificador Bass Boost
Conexões de Circuito –
Este circuito amplificador é construído através da montagem dos seguintes componentes –
1) Fonte DC – Uma bateria de 12 V é usada para alimentar o circuito. Esta fonte DC também fornece a tensão de polarização ao amplificador.
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 canal único, apenas um dos fios do canal será conectado ao amplificador como entrada de áudio. O fio terra do conector será conectado ao terra comum do circuito.
Fig. 3: Imagem típica de conector de áudio de 3,5 mm
3) Amplificador de potência de áudio LM386 – LM386 é um IC amplificador de potência de áudio de baixa tensão. Ele opera entre uma faixa de tensão de 4 V a 12 V. Neste circuito, o IC recebe uma tensão de polarização de 12 V. Este IC pode acionar uma carga com impedância na faixa de 4 ohms a 32 ohms. Como o alto-falante usado como carga na saída do amplificador tem impedância de 8 ohms, o IC é adequado para acioná-lo bem. Internamente, o ganho de tensão do IC é definido como 20 (26 dB), mas pode ser definido entre 20 (26 dB) e 200 (46 dB) conectando uma combinação adequada de resistor e capacitor entre os pinos 1 e 8. O IC possui 8 pinos no pacote PDIP com a seguinte configuração de pinos –
Fig. 4: Tabela listando a configuração dos pinos do IC amplificador de potência de áudio LM386
O IC tem o seguinte diagrama de pinos –
Fig. 5: Diagrama de pinos do LM386
O IC possui o seguinte Diagrama Interno –
Fig. 6: Diagrama do circuito interno do IC amplificador de potência de áudio LM386
Seu circuito interno pode ser representado pelo seguinte diagrama funcional –
Fig. 7: Diagrama Funcional do IC Amplificador de Potência de Áudio LM386
Este IC é basicamente um amplificador operacional cujo ganho de tensão pode ser ajustado usando um circuito RC adequado entre seus pinos de configuração de ganho. Se os pinos de configuração de ganho forem deixados abertos, o ganho de tensão do amplificador será ajustado internamente para 20 (26 dB). Para ajustar o ganho entre a faixa desejada de 20 (26 dB) e 200 (46 dB), um resistor variável (Mostrado como RV2 no diagrama de circuito) de 4,7 Kilo ohms e um capacitor (Mostrado como C1 no diagrama de circuito) de 10 uF estão conectados entre os pinos 1 e 8 do IC. Para controlar o nível do volume de saída, um resistor variável (mostrado como RV1 no diagrama de circuito) é conectado na entrada do pino não inversor. Este resistor variável na verdade altera a amplitude (nível de tensão de entrada) do sinal de entrada, pois a amplitude define o volume do sinal de áudio.
Figura 8: Imagem típica do IC amplificador de potência de áudio LM386
Os pinos 2 e 3 são os pinos de entrada do IC. O pino 2 é o pino de entrada inversora e está aterrado. O pino 3 é o pino de entrada não inversor e é usado para alimentar o sinal de áudio que será amplificado junto com um potenciômetro de 10k e um capacitor que bloqueia qualquer sinal DC da entrada. O pino 4 é o pino de aterramento e está conectado ao terra comum. O pino 6 é o pino da fonte de alimentação do IC e está conectado a 12V DC. Um capacitor de filtro (mostrado como C2 no diagrama de circuito) de 100 uF é usado para remover quaisquer ondulações de alta frequência na entrada. No pino 5, que é o pino de saída do IC, um capacitor (mostrado como C8 no diagrama de circuito) de 1000 uF é conectado para bloquear quaisquer componentes DC. Os componentes DC (como aparecem no caso de efeito clipping) podem danificar o alto-falante conectado na saída do circuito.
Junto com este capacitor, um circuito de filtro RC que consiste em um resistor (mostrado como R1 no diagrama de circuito) de 10 ohms e um capacitor (mostrado como C6 no diagrama de circuito) de 0,05 uF é usado no pino de saída. Isso é chamado de 'rede Zobel'. Ele garante que a impedância do alto-falante apareça como uma resistência constante para o amplificador após a saída. Portanto, ajuda a estabilizar a frequência e as oscilações na saída. Se o capacitor C6 e o resistor R1 forem trocados, não será mais uma rede Zobel, mas ainda assim a impedância de saída permanecerá constante. O pino 7, que é o pino do Terminal de Bypass, é aterrado com um capacitor para melhorar a estabilidade da saída do amplificador.
4) Alto-falantes – Um alto-falante com potência de 10 Watts e impedância de 8 ohms é usado como carga na saída do amplificador. O alto-falante está conectado no pino 5 do IC, que é o pino de saída do LM386, e o fio terra do alto-falante está conectado ao terra comum.
Figura 9: Imagem típica de alto-falante de 10 Watts e 8 Ohms
5) Circuito de reforço de graves – Para LM386, a resposta de frequência do IC pode ser controlada conectando componentes adicionais paralelos ao resistor de feedback interno. O IC possui um resistor de feedback interno de 15K ohms conectado internamente entre os pinos 1 e 5 do IC. A resposta de frequência do IC pode ser alterada conectando um circuito RC em série entre os pinos 1 e 5 do IC. Se o pino 8 for mantido aberto, um resistor de 10K ohms a 15K ohms pode ser conectado no circuito RC para reforço de graves de 6 dB. Se os pinos 1 e 8 forem ignorados por um capacitor, então um resistor de 2K ohms ou menos pode ser conectado no circuito RC para o mesmo reforço de graves de 6 dB. No circuito, um resistor variável (mostrado como RV3 no diagrama de circuito) de 10K ohms é conectado em série com um capacitor (mostrado como C6 no diagrama de circuito) de 0,033 uF entre os pinos 1 e 5 para fornecer Bass Boost.
Ao montar este circuito, as seguintes precauções devem ser tomadas –
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.Use a rede Zobel para estabilidade de frequência.
5.Sempre calcule a potência máxima do amplificador antes de conectá-lo ao alto-falante. O valor prático pode diferir do teórico.
6. Para melhor estabilidade, aterre o pino de bypass usando um capacitor.
7. Sempre verifique a classificação de potência do IC LM386 em sua folha de dados, pois diferentes empresas têm classificações diferentes.
8. Evite cortar o sinal de saída, pois isso pode danificar o alto-falante.
9.Sempre coloque os componentes o mais próximo possível para reduzir o ruído no circuito.
10. Sempre siga a topologia em estrela ao aterrar, isso manterá o ruído baixo e reduzirá o problema de aterramento do loop.
11.Para controle de graves sempre use um resistor acima de 2k quando os pinos 1 e 8 estiverem em bypass. Mas use 15k quando 1 e 8 pinos estiverem abertos.
Fig. 10: Protótipo de amplificador de reforço de graves de áudio de 6 Db
Como funciona o circuito –
O LM386 é basicamente um amplificador operacional. O IC vem com um circuito de ganho interno que possui um resistor interno de 1,35 quilo ohms configurando o ganho padrão do amplificador para 20 (26 dB). O resistor interno pode ser contornado conectando um capacitor entre os pinos 1 e 8 do IC. Ao ignorar o resistor interno, o ganho é ajustado para 200 (46 dB). O ganho de tensão do amplificador pode ser ajustado entre 20 (26 dB) e 200 (46 dB) conectando um resistor variável em série com o capacitor de bypass.
A potência de saída do LM386 varia de acordo com a tensão de entrada DC ou tensão de polarização. De acordo com a ficha técnica, o LM386N-1 possui a seguinte potência de saída para uma tensão de alimentação de 9 V e carga de 8 ohms –
Em 9V/8E – 500 mW (min) a 700 mW (típico)
Fig. 11: Tabela listando as características de saída do IC LM386 com alimentação de 9V e carga de 8 Ohms
Assim, com uma tensão de alimentação ajustada para 12V e uma carga de 8 ohms na saída, a potência de saída do amplificador pode ser de aproximadamente 1 Watt.
Considerando a saída de potência típica do amplificador IC 700 mW (na verdade, para 9 V) e a impedância de carga (puramente resistiva e independente da frequência) sendo 8 ohms, a tensão quadrática média na saída do amplificador pode ser calculada como segue –
Po= (Vrms)2/R
Onde,
Potência de saída, Po = 700 mW
Resistência de carga, R = 8 ohms
Ao colocar os valores,
0,7 = (Vrms)2/8
Tensão RMS (raiz quadrada média), Vrms = 2,37 V
Portanto, a tensão pico a pico para potência de 700 mW é a seguinte –
Vp-p = Vrms*(2)1/2
Vp-p = 2,37*1,414
Vp-p(máximo)= 3,35 V (aprox.)
A corrente máxima fornecida pelo IC para saída de potência de 700 mW pode ser calculada da seguinte forma –
Po = Vrms*Io
0,7 = 2,37*Io
Io = 295 mA
Corrente máxima de saída, Io = 295 mA (aprox.)
A tensão de entrada com ganho de 26 dB para a tensão pico a pico de saída sendo 3,35 V pode ser calculada como segue –
Ganho = 26 db/20
Ganho = Tensão de saída (pico – pico) / Tensão de entrada (pico-pico)
Tensão de entrada = 3,35/20
Tensão de entrada, Vin (pp) = 167,5 mV
A tensão de entrada com ganho de 46 dB para a tensão pico a pico de saída sendo 3,35 V pode ser calculada da seguinte forma –
Ganho = 46 db/200
Ganho = Tensão de saída (pico – pico) / Tensão de entrada (pico-pico)
Tensão de entrada = 3,35/200
Tensão de entrada, Vin (pp) = 16,75 mV
Assim, ao aplicar uma tensão de entrada na faixa de 16 mV a 160 mV, o LM386 proporcionando um ganho de tensão entre 20 (26 dB) e 200 (46 dB), a tensão de saída deve ser obtida em torno de 3,35V. Assim, a amplitude do sinal de entrada pode variar de 16 mV a 160 mV sem corte.
Considerando a potência máxima de saída do IC do amplificador sendo 1 W e a impedância de carga (puramente resistiva e independente da frequência) sendo 8 ohms, a tensão quadrática média na saída do amplificador pode ser calculada como segue –
Po= (Vrms)2/R
Onde,
Potência de saída, Po = 1000 mW
Resistência de carga, R = 8 ohms
Ao colocar os valores,
1 = (Vrms)2/8
Tensão RMS (raiz quadrada média), Vrms = 2,82 V
Portanto, a tensão pico a pico para potência de 1000 mW é a seguinte –
Vp-p = Vrms*(2)1/2
Vp-p = 2,82*1,414
Vp-p(máximo)= 4 V (aprox.)
A corrente máxima fornecida pelo IC para saída de potência de 1000 mW pode ser calculada da seguinte forma –
Po = Vrms*Io
1 = 2,82*Io
Io = 355 mA
Corrente máxima de saída, Io = 355 mA (aprox.)
A tensão de entrada com ganho de 26 dB para a tensão pico a pico de saída sendo 4 V pode ser calculada como segue –
Ganho = 26 db/20
Ganho = Tensão de saída (pico – pico) / Tensão de entrada (pico-pico)
Tensão de entrada = 4/20
Tensão de entrada, Vin (pp) = 200 mV
A tensão de entrada com ganho de 46 dB para a tensão pico a pico de saída sendo 4 V pode ser calculada como segue –
Ganho = 46 db/200
Ganho = Tensão de saída (pico – pico) / Tensão de entrada (pico-pico)
Tensão de entrada = 4/200
Tensão de entrada, Vin (pp) = 20 mV
Assim, ao aplicar uma tensão de entrada na faixa de 20 mV a 200 mV, o LM386 proporcionando um ganho de tensão entre 20 (26 dB) e 200 (46 dB), deve-se obter uma tensão de saída em torno de 4 V. Portanto, a amplitude do sinal de entrada para saída de potência máxima do IC na alimentação de 12V pode variar de 20 mV a 200 mV sem corte.
Supondo que o IC forneça potência mínima conforme sua folha de dados, o sinal de áudio de entrada com amplitude na faixa de 20 mV a 200 mV com tolerância de cerca de 10 por cento pode ser aplicado na entrada do amplificador. O sinal de entrada deve ser amplificado de 20 a 200 vezes dependendo do ganho definido pelo resistor variável no pino 8 do IC.
O circuito RC conectado como circuito Bass Boost é na verdade um filtro passa-baixo. Ele remove a maior parte do ruído que não é filtrado pelo capacitor de desacoplamento. Este circuito RC na verdade não ajuda na amplificação de sinais de baixa frequência, na verdade ele permite que os sinais de alta frequência sejam filtrados de forma que sejam menos amplificados em comparação com os sinais de baixa frequência, de modo que o volume (amplitude) dos sinais de baixa frequência permanece alto em comparação com os sinais de alta frequência do áudio. Isto torna os sinais de 'graves' ou de baixa frequência mais audíveis do que os sinais de alta frequência do áudio.
Em baixa frequência, o capacitor C6 possui alta reatância (Xc = ½*Pi*f), portanto a rede RC externa atua como um circuito aberto. Neste caso, o amplificador se comporta como se a rede RC não estivesse presente. Em alta frequência, o capacitor C6 possui reatância muito baixa e atuará como um curto-circuito. A rede RC atua efetivamente como um resistor de 10K ohms que está em paralelo ao resistor interno de 15K ohms do IC. Portanto, em vez de 10K, a resistência equivalente é reduzida para 6K ohms (15K 10K). Portanto, há mais feedback na saída e isso reduz o ganho do circuito. Portanto, os sinais de alta frequência são menos amplificados devido ao ganho reduzido. Na verdade, em vez de aumentar os sinais de baixa frequência, esta rede RC reduz o ganho em alta frequência. Portanto, os sinais de frequência grave são mais amplificados do que os sinais de alta frequência. O reforço de graves do amplificador pode ser variado ajustando o resistor variável RV3. À medida que o valor do resistor diminui, os graves ficam mais amplificados em comparação aos agudos no áudio.
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 entre 20 mV e 200 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 ganho de 20 dB, foram observadas as seguintes formas de onda de entrada e saída, onde o sinal de entrada é representado pela forma de onda vermelha e o sinal de saída é representado pela forma de onda amarela –
Fig. 12: Gráfico mostrando a resposta de frequência do reforço de graves observada no CRO
Pela forma de onda de saída, pode-se observar que ela começa a cortar no nível de 4 V. Pela forma de onda pode-se observar que ao diminuir a resistência, os sinais de baixa frequência têm relativamente mais amplificação em comparação com os sinais de alta frequência. Então, o reforço de graves está funcionando bem. Como os pinos 1 e 8 são bypassados, ao manter a resistência do resistor variável RV3 próxima de 2K ohms, obtém-se um Bass Boosting mais estável.
Portanto, neste tutorial, é construído um amplificador de reforço de graves de áudio com saída de potência de 1 W e ganho na faixa de 26 dB a 46 dB. Este circuito amplificador pode ser usado em alto-falantes e outros sistemas de áudio. O circuito amplificador projetado neste tutorial é simples de construir e tem tamanho pequeno. Possui ganho variável, controle de volume e recurso Bass Boost.
No próximo tutorial, será projetado um amplificador de áudio automotivo usando o IC TDA2003.