No tutorial anterior, foram discutidos conceitos básicos de amplificadores de áudio. Já foi mencionado que com base na aplicação, existem dois tipos de amplificadores de áudio –
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 de potência com potência de saída de 250 mili-Watts. 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.
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 tutorial anterior, vários parâmetros de design associados aos 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 – 250 mW
O amplificador será projetado para alimentar um alto-falante de 250 mW com impedância de 8 ohms. O circuito terá os seguintes recursos adicionais –
– 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 amplificador de potência de áudio de 250 mili Watts
Diagrama de bloco –
Figura 2: Diagrama de blocos do amplificador de potência de áudio de 250 mili Watts
Conexões de Circuito –
O circuito amplificador é construído montando os seguintes componentes –
1) Fonte DC – Uma bateria de 6 V e 1,5 A 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.
Figura 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 6 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 –
Figura 5: Diagrama de pinos do LM386 IC
O IC possui o seguinte Diagrama Interno –
Fig. 6: Diagrama do Circuito Interno do IC LM386
Seu circuito interno pode ser representado pelo seguinte diagrama funcional –
Fig. 7: Diagrama Funcional do IC 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 LM386 IC
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 6V 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 C7 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 250 mW 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.
Fig. 9: Imagem típica de alto-falante de 250 mW e 8 Ohms
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 cortes no sinal de saída, pois isso pode danificar o alto-falante.
9. Coloque sempre 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.
Fig. 10: Protótipo de amplificador de potência de áudio de 250 mW
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 6 V e carga de 8 ohms –
Em 6V/8E – 250 mW (min) a 325 mW (típico)
Fig. 11: Tabela listando as características elétricas do LM386 IC
Assim, com uma tensão de alimentação ajustada para 6V e uma carga de 8 ohms na saída, a potência de saída do amplificador pode variar de 250 mW a 325 mW. Considerando a potência mínima de saída do amplificador IC 250 mW 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 = 250 mW
Resistência de carga, R = 8 ohms
Ao colocar os valores,
0,25 = (Vrms)2/8
Tensão RMS (raiz quadrada média), Vrms = 1,4 V
Portanto, a tensão pico a pico para potência de 250 mW é a seguinte –
Vp-p = Vrms*(2)1/2
Vp-p = 1,4*1,414
Vp-p(máximo)= 2V (aprox.)
A corrente máxima fornecida pelo IC para saída de potência de 250 mW pode ser calculada da seguinte forma –
Po = Vrms*Io
0,25 = 1,4*Io
Io = 178mA
Corrente máxima de saída, Io = 178 mA (aprox.)
A tensão de entrada com ganho de 26 dB para a tensão pico a pico de saída sendo 2V pode ser calculada como segue –
Ganho = 26 db/20
Ganho = Tensão de saída (pico – pico) / Tensão de entrada (pico-pico)
Tensão de entrada = 2/20
Tensão de entrada, Vin (pp) = 100mV
A tensão de entrada com ganho de 46 dB para a tensão pico a pico de saída sendo 2V pode ser calculada como segue –
Ganho = 46 db/200
Ganho = Tensão de saída (pico – pico) / Tensão de entrada (pico-pico)
Tensão de entrada = 2/200
Tensão de entrada, Vin (pp) = 10 mV
Assim, ao aplicar uma tensão de entrada na faixa de 10 mV a 100 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 2V. Assim, a amplitude do sinal de entrada pode variar de 10 mV a 100 mV sem corte.
Considerando a potência máxima de saída do IC do amplificador sendo 325 mW 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 = 325 mW
Resistência de carga, R = 8 ohms
Ao colocar os valores,
0,325 = (Vrms)2/8
Tensão RMS (raiz quadrada média), Vrms = 1,6 V
Portanto, a tensão pico a pico para potência de 325 mW é a seguinte –
Vp-p = Vrms*(2)1/2
Vp-p = 1,6*1,414
Vp-p(máximo)= 2,26 V (aprox.)
A corrente máxima fornecida pelo IC para saída de potência de 325 mW pode ser calculada da seguinte forma –
Po = Vrms*Io
0,325 = 1,6*Io
Io = 203 mA
Corrente máxima de saída, Io = 203 mA (aprox.)
A tensão de entrada com ganho de 26 dB para a tensão pico a pico de saída sendo 2,26 V pode ser calculada da seguinte forma –
Ganho = 26 db/20
Ganho = Tensão de saída (pico – pico) / Tensão de entrada (pico-pico)
Tensão de entrada = 2/20
Tensão de entrada, Vin (pp) = 113 mV
A tensão de entrada com ganho de 46 dB para a tensão pico a pico de saída sendo 2,26 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 = 2,26/200
Tensão de entrada, Vin (pp) = 11 mV
Assim, ao aplicar uma tensão de entrada na faixa de 11 mV a 113 mV, proporcionando o LM386 um ganho de tensão entre 20 (26 dB) e 200 (46 dB), a tensão de saída deve ser obtida em torno de 2,26 V. Portanto, a amplitude do sinal de entrada para saída de potência típica do IC pode variar de 11 mV a 113 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 10 mV a 100 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.
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 10 mV e 100 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. A tensão de saída pico a pico imediatamente antes do corte é medida para análise do circuito, como determinar a potência de saída e o ganho do amplificador.
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 –
Figura 12: Gráfico de saída do amplificador de potência de áudio LM-386 conforme observado no CRO
Observou-se que a forma de onda de saída começou a cortar no nível de 2V. No entanto, a impedância de carga foi praticamente encontrada em 10 ohms em vez de 8 ohms. Para esta impedância, a potência consumida pela carga pode ser calculada da seguinte forma –
Potência máxima de saída, Po = V2(pp)/2R
Po = (2*2)/(2*10)
Po = 200 mW
Assim, com o aumento da impedância da carga, a potência de saída do amplificador foi reduzida para 200 mW do valor teórico de 250 mW.
Com ganho de 26 dB, as seguintes observações foram feitas –
Fig. 13: Tabela listando as características de saída do amplificador de potência de áudio LM-386 com ganho de 26 dB
Com ganho de 46 dB, as seguintes observações foram feitas –
Fig. 14: Tabela listando as características de saída do amplificador de potência de áudio LM-386 com ganho de 46 dB
Assim, pode-se observar que se o ganho do amplificador for ajustado para 26 dB, a tensão de entrada ou amplitude do sinal de entrada não deve exceder 100 mV e se o ganho do amplificador for ajustado para 46 dB, a tensão de entrada ou a amplitude do sinal de entrada não deve exceder 10 mV, pois a tensão de saída do IC do amplificador de potência começa a cortar no nível de 2 V.
Portanto, neste tutorial, é construído um amplificador de potência de áudio com potência de saída de 250 mW (praticamente 200 mW de potência devido à impedância de carga real ser de 10 ohms) e um ganho na faixa de 26 dB a 46 dB. Este circuito amplificador pode ser usado em um sistema de som de TV, amplificador de rádio ou em reprodutores de áudio portáteis. O circuito amplificador projetado neste tutorial é simples de construir e tem tamanho pequeno. Possui ganho variável e recurso de controle de volume.
No próximo tutorial, será projetado um amplificador de potência de 1 Watt.