No tutorial anterior, um amplificador de potência Bass Boost foi projetado. Agora é hora de começar a projetar amplificadores de potência adequados para aplicações específicas. Neste tutorial, um amplificador de áudio automotivo será projetado.
Os carros vêm com sistemas de áudio embutidos de anos. O sistema de áudio de um carro é um dos recursos importantes que brilha como ponto de venda exclusivo (USP) para qualquer carro do mercado. Os sistemas de áudio tornaram-se um acessório vital para qualquer carro. Muitas vezes, os consumidores substituem os sistemas de áudio padrão que vêm em seus carros por novos para uma melhor experiência de direção.
Qualquer sistema de áudio automotivo possui os seguintes componentes básicos –
1) Unidade Principal
2) Amplificador
3) Alto-falantes
A unidade principal é o coração do sistema de áudio do carro. A unidade principal fornece sinais de áudio (para serem reconstruídos como som) de fitas cassete, CD players, rádio via satélite, rádio pela Internet, unidade USB ou outra fonte de áudio. Hoje em dia, as unidades principais em sofisticado carros também vêm com recurso de vídeo. Essas unidades principais possuem uma fonte de exibição conectada à unidade principal, para que um vídeo de um CD, DVD ou unidade USB possa ser reproduzido nela. Até as unidades principais estão hoje equipadas com sistemas de voz automatizados ajudar para o motorista.
Os sinais de áudio da unidade principal são enfraquecidos devido à natureza resistiva dos fios de conexão. Portanto, é necessário um amplificador de potência no estágio de saída das unidades principais para aumentar os sinais para que possam chegar aos alto-falantes sem perdas significativas. Geralmente, devido à restrição de tamanho do carro, os amplificadores são combinados apenas com a unidade principal. Portanto, existem amplificadores embutidos na própria unidade principal. Também é possível conectar amplificadores externos à unidade principal para aumentar ainda mais a qualidade do som.
Com alto-falantes, o sistema de áudio de um carro fica completo. Existem três ou quatro alto-falantes em um carro colocados em diferentes posições internas. Os alto-falantes captam os sinais de áudio do amplificador e reproduzem o som. Um carro requer um amplificador de alta potência, pois o som precisa ser mais alto nele. Geralmente, amplificadores de 10 Watts são padrão e têm um som bem alto. Para uma qualidade de som descendente, um amplificador de 6 Watts é suficiente.
Neste tutorial, um amplificador de áudio automotivo de 6 Watts foi projetado usando o IC TDA2003. TDA2003 é um amplificador de potência de rádio automotivo de 10 Watts. Este IC pode sustentar uma tensão de pico de até 40 V e tem capacidade de corrente de saída de até 3,5 A. O IC pode ser operado fornecendo uma tensão entre 8 V e 18 V. O amplificador de áudio projetado neste tutorial também é um amplificador de potência. 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.
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) – 34 dB
Largura de banda – 40 Hz a 15 KHz
Potência de saída – 6 W
O amplificador será projetado para fornecer áudio a um alto-falante de 10 Watts com impedância de 4 ohms. O circuito terá os seguintes recursos adicionais –
– Sem efeito de recorte
– Controle de volume
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 amplificador de áudio automotivo de 6 Watts
Diagrama de bloco –
Fig. 2: Diagrama de blocos do amplificador de áudio automotivo
Conexões de Circuito –
O circuito amplificador é construído montando os seguintes componentes juntos –
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) TDA2003 – TDA2003 é um amplificador de potência de áudio monolítico, portanto todos os componentes do circuito amplificador estão integrados no próprio chip. Este IC pode sustentar uma tensão de pico de até 40 V e tem capacidade de corrente de saída de até 3,5 A. O IC pode ser operado fornecendo uma tensão entre 8 V e 18 V. O IC tem a seguinte configuração de pinos –
Figura 4: Tabela listando a configuração dos pinos do IC TDA2003
O TDA2003 possui o seguinte diagrama de pinos –
Figura 5: Diagrama de pinos do TDA2003 IC
O TDA2003 possui os seguintes circuitos internos –
Fig. 6: Diagrama do Circuito Interno do IC TDA2003
TDA2003 é basicamente um amplificador operacional com alta potência. Pode ser usado como amplificador de potência para sistemas de áudio automotivo. O amplificador de áudio automotivo projetado neste tutorial usando TDA2003 tem uma configuração não inversora, pois a entrada de áudio é fornecida no pino de entrada não inversora do IC. Este IC pode produzir uma potência de 6 Watts a 12 Watts. Se tentar extrair mais energia do amplificador (além de suas especificações), a tensão de saída (amplitude do sinal de áudio) pode começar a ser cortada. O efeito de corte pode danificar gravemente a carga que é o alto-falante neste caso.
Fig. 7: Imagem típica do amplificador de áudio automotivo TDA2003 IC
De acordo com a ficha técnica do TDA2003, a potência de saída deste amplificador depende da impedância da carga. O IC possui as seguintes saídas de potência a 40 dB para diferentes impedâncias de carga na saída –
Fig. 8: Tabela mostrando a dependência da potência de saída do TDA2003 na Impedância de Carga
Portanto, quanto maior for a impedância de carga, menor será a potência de saída do IC. Neste projeto de amplificador, um alto-falante de 10 Watts e 4 ohms é usado, portanto a potência de saída deve ser idealmente de 6 Watts. Este IC pode suportar um curto-circuito permanente de 16 V. O IC não só possui proteção contra curto-circuito de tensão CA e CC, mas também é imune à inversão de polaridade tendo uma corrente de surto de até 5 A. Possui diodos internos para proteção contra terra aberta e indutância de carga.
O diagrama de circuito para este amplificador é um circuito de aplicação típico conforme fornecido na folha de dados. A aplicação típica possui componentes adicionais para finalidades diferentes. No circuito, um capacitor de suavização (mostrado como C1 no diagrama do circuito) de 10 uF é conectado ao pino de entrada não inversor no qual a entrada de áudio é fornecida para bloquear qualquer componente DC da entrada do circuito. Outro capacitor (mostrado como C2 no diagrama de circuito) de 470 uF é conectado no pino de entrada inversora para rejeição de ondulação. Existem capacitores (mostrados como C3 e C4 no diagrama de circuito) de 100 uF e 0,1 uF para filtrar a tensão de alimentação de entrada. O capacitor de alto valor C3 é conectado para desviar sinais de alta frequência, enquanto o capacitor de baixo valor C4 é conectado para desviar sinais de baixa frequência.
Um circuito RC (mostrado como C5 e R1 no diagrama de circuito) é conectado ao pino de saída do IC para definir a frequência de corte superior. Um capacitor (mostrado como C6 no diagrama de circuito) de 1000 uF é conectado no pino de saída para bloquear qualquer componente DC do amplificador aos alto-falantes. Também define a frequência de corte mais baixa. Quanto maior o valor deste capacitor, menor a frequência de corte e vice-versa. A frequência de corte é inversamente proporcional ao valor do capacitor.
Outro circuito RC (mostrado como C7 e R4 no diagrama de circuito) está conectado no a saída para estabilizar a frequência de saída. O capacitor de 0,1 uF e um resistor de 1 ohm ou menos é recomendado para este circuito RC para estabilização de frequência. Ao usar um resistor com valor superior a 1 ohm neste circuito RC pode resultar em oscilações/distorções em alta frequência. Portanto, os valores recomendados de resistor e capacitor são utilizados no circuito. Todos os componentes são aterrados em topologia em estrela para evitar distorções no sinal de áudio devido ao aterramento do loop.
Para controle de volume, é usado um resistor variável (mostrado como RV1 no diagrama de circuito) na entrada do pino não inversor. Este resistor variável pode ser ajustado para alterar a amplitude (nível de tensão) deste sinal de entrada que por sua vez controla a amplitude (volume) do sinal de saída.
4) Alto-falantes – Um alto-falante de 10 Watts de potência classificação e Impedância de 4 ohms é usada como carregar na saída do amplificador. O alto-falante está conectado no o pino 4 do IC que é o pino de saída do TDA2003 e o fio terra do alto-falante está conectado ao terra comum. O alto-falante de 10 Watts em vez de 6 Watts é usado conforme a disponibilidade.
Fig. 9: Imagem típica de alto-falante de 10 Watts e 4 Ohms
As seguintes precauções devem ser tomadas ao montar o circuito –
1. Coloque sempre os componentes o mais próximo possível para reduzir o ruído no circuito. Siga a topologia em estrela ao aterrar, isso manterá o ruído baixo.
2. Use o capacitor de classificação de alta tensão em vez do sinal de entrada.
3. Sempre use o capacitor de filtragem no terminal de entrada da fonte de alimentação para evitar ondulações indesejadas.
4. Use alto-falante de potência equivalente ou alta como potência de saída do amplificador.
5. Sempre use um capacitor em série na saída do amplificador para bloquear qualquer componente DC.
6. Sempre calcule a potência máxima do amplificador antes de conectá-lo ao alto-falante. O valor prático pode diferir do teórico.
7. Evite cortes no sinal de saída, pois isso pode danificar os alto-falantes.
8. Recomenda-se usar um dissipador de calor com o IC para fornecer resfriamento, pois a potência de saída é alta e isso pode aquecer o IC.
Fig. 10: Protótipo de amplificador de áudio automotivo de 6 Watts
Como funciona o circuito –
O circuito de aplicação típico do TDA2003 conforme indicado em sua ficha técnica é utilizado para este amplificador. De acordo com a folha de dados, o ganho de malha aberta do IC quando não há feedback da saída para a entrada é de 80 dB, enquanto o ganho de malha fechada quando há feedback da saída para a entrada é de 40 dB. O ganho de tensão do amplificador pode ser definido pela rede divisora resistiva (mostrada como R2 e R3 no diagrama de circuito) no pino de saída do IC. De acordo com a folha de dados, para uma carga de 4 ohms na saída, o IC fornece potência de 6 Watts. Portanto, para uma carga de 4 ohms e potência de saída de 6 Watts, a tensão máxima de saída sem efeito de corte pode ser calculada da seguinte forma –
P = V2(pp)/2R
Onde,
Potência de saída, P = 6 W
Resistência de carga, R = 4 ohms
A tensão pico a pico na saída é então a seguinte –
P = V2(pico- pico)/2R
6 = V2(pico- pico)/(2*4)
Vp-p = 6,9 V
O ganho máximo para uma tensão pico a pico de 6,9 V é o seguinte –
Ganho = Vout/Vin
Considerando Vin (tensão de entrada) = 200 mV
Ganho = 6,9/200
Ganho = 34 (aprox.)
Para definir o ganho através dos resistores R2 e R3, a equação de ganho OPAM não inversora para calcular o ganho pode ser usada. É o seguinte –
Ganho = (R2/R3) + 1
Assumindo R2 = 220 ohms
34 = (220/R3) + 1
R3 = 7 ohms (aprox.)
Portanto, se R2 for assumido como 220 ohms, o R3 deverá ser de 7 ohms para o ganho de tensão desejado.
No circuito, o capacitor C5 e o resistor R1 são usados para definir a frequência de corte superior. O valor recomendado para este capacitor é 39 nF para o qual é utilizado um capacitor de 33 nF conforme disponibilidade.
O valor do resistor R1 pode ser calculado da seguinte forma –
R1 = 20*R3
R1 = 20*7
R1 = 140 ohms
O valor do capacitor C5 pode ser calculado da seguinte forma –
C5 = 1/(2*Pi*B*R1)
Onde, B é a resposta de frequência. Cada sistema responde de maneira diferente a frequências diferentes. Alguns sistemas amplificam a frequência de uma determinada faixa e atenuam as demais. Portanto, a forma como qualquer saída do sistema está relacionada ao sinal de entrada em uma frequência diferente é definida como Resposta em Frequência desse sistema. Na folha de dados do TDA2003, o seguinte gráfico de resposta de frequência entre o valor do capacitor C5 e a resposta de frequência B é dado a seguir –
Fig. 11: Gráfico mostrando a curva de resposta em frequência do TDA2003
Conforme a disponibilidade, um capacitor de 33 nF é utilizado para C5 e um resistor de 150 ohms é utilizado para R1.
A potência de saída deste amplificador deve ser de 6 Watts para Carga de 4 ohms.
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.
Idealmente, a potência deste amplificador deve ser de 6 Watts. A carga no entanto tinha uma impedância de 4,7 ohms em vez de 4 ohms. Então, na prática, as seguintes observações foram anotadas –
Fig. 12: Tabela listando as características de saída do amplificador de áudio automotivo de 6 Watts
Então, a potência de saída de amplificador era de aproximadamente 5,75 Watts em vez de 6 Watts. Esta é uma perda tolerável em potência, então o circuito amplificador está funcionando com sucesso. Este circuito amplificador opera a uma tensão de 12 V e possui recursos como Inversão de Polaridade, Desligamento Térmico e Proteção contra curto-circuito.
No próximo tutorial será projetado um circuito amplificador para fones de ouvido comuns.